Caso práctico: Amplificador lineal CMOS

Prototipo de Amplificador lineal CMOS (Maker Style)

Nivel: Avanzado. Configurar un inversor 74HC04 como un amplificador analógico lineal de Clase A usando retroalimentación negativa.

Objetivo y caso de uso

Construirá un amplificador de voltaje de una sola etapa utilizando una puerta inversora de un CI 74HC04, polarizada en su región lineal mediante una resistencia de retroalimentación. Esta configuración fuerza a la puerta digital a actuar como un amplificador inversor analógico para pequeñas señales de CA.

Por qué es útil:
* Análisis de estructura interna: Demuestra que las puertas lógicas digitales están construidas con transistores analógicos (MOSFETs) y poseen una región lineal activa.
* Osciladores de cristal: Esta topología es el bloque de construcción fundamental para los osciladores Pierce utilizados en la generación de reloj.
* Amplificación de bajo costo: Proporciona un amplificador simple y barato de alta impedancia para sensores piezoeléctricos o micrófonos sin requerir un amplificador operacional dedicado.
* Buffering de señal: Se puede utilizar para cuadrar flancos analógicos «lentos» en pulsos digitales nítidos si se ajusta la retroalimentación.

Resultado esperado:
* Autopolarización: El voltaje de CC de entrada y salida se estabiliza automáticamente en aproximadamente VCC / 2 (p. ej., ~2.5 V).
* Amplificación: Una onda senoidal de entrada de 50 mVpp da como resultado una onda senoidal de salida invertida amplificada.
* Linealidad: La señal de salida replica la forma de la entrada sin recorte (siempre que la señal de entrada permanezca pequeña).

Público objetivo y nivel:
Estudiantes de ingeniería electrónica y diseñadores de sistemas analógicos (Nivel: Avanzado).

Materiales

  • U1: 74HC04 (Inversor Quíntuple/Hex Inverter), función: elemento de amplificación activo.
  • Rf: Resistencia de 1 MΩ, función: retroalimentación negativa para polarización de CC (operación Clase A).
  • Cin: Condensador cerámico de 100 nF, función: acoplamiento de CA para la señal de entrada.
  • Cout: Condensador electrolítico de 10 µF, función: acoplamiento de CA para la carga.
  • RL: Resistencia de 10 kΩ, función: simulación de carga de salida.
  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: fuente de energía principal.
  • V_SIG: Generador de señales, función: onda senoidal de 1 kHz, 50 mVpp (con offset de 0 V CC).

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC04 (Hex Inverter)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1 A Entrada Inversor 1 Conectado a GATE_IN
2 1Y Salida Inversor 1 Conectado a GATE_OUT
7 GND Tierra Conectado a 0 (GND)
14 VCC Fuente de alimentación Conectado a VCC
3,5,9,11,13 Entradas Entradas no utilizadas Conectar a 0 (GND) para prevenir oscilación

Guía de conexionado

  • V1: Terminal positivo a VCC, terminal negativo a 0.
  • U1: Pin 14 a VCC, Pin 7 a 0.
  • Entradas no utilizadas: Pines U1 3, 5, 9, 11, 13 a 0 (Esencial para la estabilidad).
  • Rf: Conectar entre GATE_IN (Pin 1) y GATE_OUT (Pin 2).
  • Cin: Conectar entre VIN_AC (salida del Generador de Señales) y GATE_IN.
  • U1 Gate: Pin 1 a GATE_IN, Pin 2 a GATE_OUT.
  • Cout: Terminal positivo a GATE_OUT, terminal negativo a VOUT_LOAD.
  • RL: Conectar entre VOUT_LOAD y 0.
  • V_SIG: Salida a VIN_AC, Tierra a 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

Practical case: CMOS linear amplifier

                                            (Feedback Loop)
                                  .-----------[ Rf: 1 MΩ ]------------.
                                  |                                   |
                                  V                                   |
[ V_SIG ] --(Signal)--> [ Cin: 100nF ] --(Pin 1)--> [ U1: 74HC04 ] --(Pin 2)--> [ Cout: 10µF ] --> [ RL: 10 kΩ ] --> GND
                                                          ^
                                                          |
                                                 [ Power: 5 V / GND ]
                                                 [ Unused Pins: 0 V ]
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

Aunque se opera como un amplificador analógico, el 74HC04 mantiene su lógica de tabla de verdad digital si se excita de riel a riel.

Entrada (A) Salida (Y)
L (0 V) H (5 V)
H (5 V) L (0 V)

Mediciones y pruebas

  1. Verificación de polarización CC:

    • Desconectar V_SIG temporalmente.
    • Medir el voltaje de CC en GATE_IN y GATE_OUT.
    • Validación: Ambos deberían medir aproximadamente VCC / 2 (alrededor de 2.5 V). Esto confirma que la resistencia de retroalimentación Rf ha polarizado correctamente el inversor en la región de transición.

  2. Medición de ganancia de CA:

    • Reconectar V_SIG (1 kHz, senoidal, 50 mVpp).
    • Usar un osciloscopio para observar el Canal 1 en VIN_AC y el Canal 2 en GATE_OUT.
    • Validación: Calcular la Ganancia de Voltaje Av = Voutpp / Vinpp. Debería observar una onda senoidal invertida con una ganancia significativa (típicamente 10x a 100x dependiendo del fabricante específico del 74HC04).

  3. Límite de linealidad:

    • Aumentar lentamente la amplitud de V_SIG.
    • Validación: Observar el punto donde la onda senoidal de salida se aplana en la parte superior (cerca de 5 V) y en la inferior (cerca de 0 V). Este es el límite del rango dinámico.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: CMOS linear amplifier
* 74HC04 Hex Inverter Linear Amplifier Configuration

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

* --- Signal Generator ---
* V_SIG: 1 kHz sine wave, 50 mVpp (25 mV amplitude), 0 V DC offset
V_SIG VIN_AC 0 SIN(0 25m 1k)

* --- Components ---

* Cin: 100 nF ceramic capacitor for AC coupling input
Cin VIN_AC GATE_IN 100n

* Rf: 1 MΩ resistor for negative feedback (DC biasing)
Rf GATE_IN GATE_OUT 1Meg

* U1: 74HC04 Hex Inverter
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: CMOS linear amplifier
* 74HC04 Hex Inverter Linear Amplifier Configuration

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

* --- Signal Generator ---
* V_SIG: 1 kHz sine wave, 50 mVpp (25 mV amplitude), 0 V DC offset
V_SIG VIN_AC 0 SIN(0 25m 1k)

* --- Components ---

* Cin: 100 nF ceramic capacitor for AC coupling input
Cin VIN_AC GATE_IN 100n

* Rf: 1 MΩ resistor for negative feedback (DC biasing)
Rf GATE_IN GATE_OUT 1Meg

* U1: 74HC04 Hex Inverter
* Instantiated as a subcircuit to strictly follow pinout and wiring guide.
* Pinout: 1=1A, 2=1Y, 3=2A, 4=2Y, 5=3A, 6=3Y, 7=GND, 8=4Y, 9=4A, 10=5Y, 11=5A, 12=6Y, 13=6A, 14=VCC
* Connected: Pin 1->GATE_IN, Pin 2->GATE_OUT, Pin 7->0, Pin 14->VCC
* Unused Inputs (3, 5, 9, 11, 13) connected to 0 (Ground).
* Unused Outputs (4, 6, 8, 10, 12) left as floating nodes (NC_x).
XU1 GATE_IN GATE_OUT 0 NC_2 0 NC_3 0 NC_4 0 NC_5 0 NC_6 0 VCC 74HC04

* Cout: 10 µF electrolytic capacitor for AC coupling load
* Connected from GATE_OUT (approx 2.5V DC) to VOUT_LOAD (0V DC)
Cout GATE_OUT VOUT_LOAD 10u

* RL: 10 kΩ load resistor
RL VOUT_LOAD 0 10k

* --- Subcircuit Models ---

* Subcircuit for 74HC04 Hex Inverter
* Implements 6 inverters using robust continuous behavioral sources (tanh).
* Model assumes Vth = VCC/2.
* Gain factor 100 used to approximate open-loop gain in linear region (~250) while ensuring convergence.
.subckt 74HC04 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
* Pin 14 = VCC, Pin 7 = GND
* Inverter 1 (1A->1Y)
B1 2 7 V = V(14,7)/2 + (V(14,7)/2) * tanh(100 * (V(14,7)/2 - V(1,7)))
* Inverter 2 (2A->2Y)
B2 4 7 V = V(14,7)/2 + (V(14,7)/2) * tanh(100 * (V(14,7)/2 - V(3,7)))
* Inverter 3 (3A->3Y)
B3 6 7 V = V(14,7)/2 + (V(14,7)/2) * tanh(100 * (V(14,7)/2 - V(5,7)))
* Inverter 4 (4A->4Y) - Note: Pin 9 is Input, Pin 8 is Output
B4 8 7 V = V(14,7)/2 + (V(14,7)/2) * tanh(100 * (V(14,7)/2 - V(9,7)))
* Inverter 5 (5A->5Y) - Note: Pin 11 is Input, Pin 10 is Output
B5 10 7 V = V(14,7)/2 + (V(14,7)/2) * tanh(100 * (V(14,7)/2 - V(11,7)))
* Inverter 6 (6A->6Y) - Note: Pin 13 is Input, Pin 12 is Output
B6 12 7 V = V(14,7)/2 + (V(14,7)/2) * tanh(100 * (V(14,7)/2 - V(13,7)))
.ends

* --- Analysis Directives ---
* Transient analysis: 5 ms duration to capture multiple 1 kHz cycles.
.tran 10u 5m

* Output variables for batch processing
* INPUT: VIN_AC, OUTPUT: VOUT_LOAD
.print tran V(VIN_AC) V(VOUT_LOAD) V(GATE_IN) V(GATE_OUT)

.op
.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The simulation shows a functional inverting amplifier. The input signal (VIN_AC) is a ~25mV amplitude sine wave. The output (VOUT_LOAD) is an inverted sine wave with an amplitude of approximately 2.4V to 2.5V, indicating a very high gain that is causing significant clipping/saturation near the rails (approx +/- 2.5V swing). The DC bias point at GATE_IN and GATE_OUT settles near 2.5V (VCC/2) as expected for this self-biasing topology.
* bom_vs_spice equivalences ignored:
*   - U1 (74HC04) is modeled as a subcircuit using continuous behavioral voltage sources (tanh functions) to approximate the analog transfer curve of CMOS inverters.
* overall_comment: The circuit is a classic example of using a digital CMOS inverter as a linear class A amplifier. The netlist correctly implements the self-biasing scheme (Rf feedback) and AC coupling. The simulation results confirm the high open-loop gain of the HC series inverter, resulting in a heavily clipped output for a 50mVpp input. As a didactic example, it effectively demonstrates the concept, though a teacher might want to reduce the input amplitude or add an input series resistor to reduce the gain if a cleaner sine wave is desired.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows a functional inverting amplifier. The input signal (VIN_AC) is a ~25mV amplitude sine wave. The output (VOUT_LOAD) is an inverted sine wave with an amplitude of approximately 2.4V to 2.5V, indicating a very high gain that is causing significant clipping/saturation near the rails (approx +/- 2.5V swing). The DC bias point at GATE_IN and GATE_OUT settles near 2.5V (VCC/2) as expected for this self-biasing topology.
Show raw data table (508 rows) 
Index   time            v(vin_ac)       v(vout_load)    v(gate_in)      v(gate_out)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	2.500000e+00	2.500000e+00
1	1.000000e-07	1.570796e-05	-3.92600e-03	2.500016e+00	2.496074e+00
2	2.000000e-07	3.141592e-05	-7.85100e-03	2.500031e+00	2.492149e+00
3	4.000000e-07	6.283179e-05	-1.56989e-02	2.500063e+00	2.484301e+00
4	8.000000e-07	1.256632e-04	-3.13823e-02	2.500126e+00	2.468618e+00
5	1.600000e-06	2.513232e-04	-6.26967e-02	2.500251e+00	2.437303e+00
6	3.200000e-06	5.026210e-04	-1.25097e-01	2.500501e+00	2.374901e+00
7	6.400000e-06	1.005039e-03	-2.48425e-01	2.500997e+00	2.251567e+00
8	1.280000e-05	2.008453e-03	-4.87825e-01	2.501977e+00	2.012143e+00
9	2.280000e-05	3.569178e-03	-8.34430e-01	2.503471e+00	1.665472e+00
10	3.280000e-05	5.115818e-03	-1.13904e+00	2.504919e+00	1.360762e+00
11	4.280000e-05	6.642268e-03	-1.39785e+00	2.506318e+00	1.101832e+00
12	5.280000e-05	8.142504e-03	-1.61199e+00	2.507667e+00	8.875322e-01
13	6.280000e-05	9.610606e-03	-1.78571e+00	2.508964e+00	7.136492e-01
14	7.280000e-05	1.104078e-02	-1.92461e+00	2.510208e+00	5.745580e-01
15	8.280000e-05	1.242738e-02	-2.03459e+00	2.511395e+00	4.643784e-01
16	9.280000e-05	1.376493e-02	-2.12112e+00	2.512524e+00	3.776434e-01
17	1.028000e-04	1.504816e-02	-2.18894e+00	2.513590e+00	3.096072e-01
18	1.128000e-04	1.627201e-02	-2.24200e+00	2.514591e+00	2.563270e-01
19	1.228000e-04	1.743163e-02	-2.28348e+00	2.515522e+00	2.146211e-01
20	1.328000e-04	1.852246e-02	-2.31590e+00	2.516381e+00	1.819734e-01
21	1.428000e-04	1.954019e-02	-2.34122e+00	2.517164e+00	1.564217e-01
22	1.528000e-04	2.048080e-02	-2.36095e+00	2.517868e+00	1.364514e-01
23	1.628000e-04	2.134059e-02	-2.37626e+00	2.518489e+00	1.209036e-01
... (484 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Uso de la familia lógica incorrecta: Los estudiantes a menudo usan 74LS04 o 74HCT04. Estos tienen pull-ups internos o diferentes umbrales de entrada que impiden una polarización lineal simétrica. Solución: Asegúrese de usar el 74HC04 (CMOS) o CD4069UB.
  2. Señal de entrada demasiado grande: Aplicar una señal lógica TTL/CMOS estándar (0-5 V) resultará en una salida de onda cuadrada, no en amplificación. Solución: Mantenga la señal de entrada pequeña (por debajo de 100 mVpp) para permanecer dentro de la región lineal.
  3. Entradas no utilizadas flotantes: Dejar los pines 3, 5, 9, etc., desconectados causa ruido interno y consumo excesivo de energía. Solución: Siempre conecte las entradas no utilizadas de los chips CMOS a Tierra (0).

Solución de problemas

  • Síntoma: La salida está atascada en 0 V o 5 V.
    • Causa: Falta la resistencia de retroalimentación Rf o es un circuito abierto.
    • Solución: Verifique la continuidad de Rf (1 MΩ). Se requiere para llevar el voltaje de entrada al punto de conmutación.
  • Síntoma: Ruido de alta frecuencia superpuesto a la señal.
    • Causa: Oscilación parásita debido a alta ganancia y capacitancia parásita.
    • Solución: Acorte los cables o añada un pequeño condensador (p. ej., 10 pF) en paralelo con Rf para reducir el ancho de banda.
  • Síntoma: La ganancia es muy baja ($< 2$).
    • Causa: La resistencia de carga RL es demasiado pequeña.
    • Solución: La impedancia de salida de un 74HC04 en modo lineal es relativamente alta. Aumente RL a 100 kΩ o retírela para las pruebas.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Oscilador de cristal: Reemplace el generador de señales con un cristal de cuarzo y dos condensadores de carga (a tierra) en los pines de entrada y salida para crear una fuente de reloj estable.
  2. Amplificador en cascada: Conecte la salida de la primera etapa (a través de un condensador) a una segunda etapa 74HC04 configurada idénticamente para lograr una ganancia de voltaje total mucho mayor.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Qué función cumple la resistencia de retroalimentación en la configuración del 74HC04 descrita?




Pregunta 2: ¿Qué función cumple la resistencia de retroalimentación en la configuración del 74HC04 descrita?




Pregunta 3: ¿Qué función cumple la resistencia de retroalimentación en la configuración del 74HC04 descrita?




Pregunta 4: ¿Qué función cumple la resistencia de retroalimentación en la configuración del 74HC04 descrita?




Pregunta 5: ¿Qué función cumple la resistencia de retroalimentación en la configuración del 74HC04 descrita?




Pregunta 6: ¿Qué función cumple la resistencia de retroalimentación en la configuración del 74HC04 descrita?




Pregunta 7: ¿Qué función cumple la resistencia de retroalimentación en la configuración del 74HC04 descrita?




Pregunta 8: ¿Qué función cumple la resistencia de retroalimentación en la configuración del 74HC04 descrita?




Pregunta 9: ¿Qué función cumple la resistencia de retroalimentación en la configuración del 74HC04 descrita?




Pregunta 10: ¿Qué función cumple la resistencia de retroalimentación en la configuración del 74HC04 descrita?




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: Oscilador en anillo y retardo

Prototipo de Oscilador en anillo y retardo (Maker Style)

Nivel: Avanzado — Construye y analiza un oscilador en anillo de 5 etapas para calcular el retardo de propagación de los componentes.

Objetivo y caso de uso

En este caso, construirás un oscilador en anillo conectando en cascada un número impar (5) de puertas NOT (inversores) en un bucle de retroalimentación cerrado utilizando un CI 74HC04. Medirás la frecuencia de oscilación resultante para calcular el retardo de propagación intrínseco de las puertas lógicas.

Por qué es útil:
* Caracterización de procesos: Utilizado en la fabricación de semiconductores para probar la velocidad y calidad de las obleas de silicio.
* Generación de reloj: Topología fundamental para generar relojes internos en ASICs y FPGAs.
* Generación de Números Aleatorios: El jitter inherente en los osciladores en anillo es una fuente de entropía para Generadores de Números Aleatorios Verdaderos (TRNG).
* Convertidores de Tiempo a Digital (TDC): Utilizados para medir intervalos de tiempo con alta precisión.

Resultado esperado:
* Una salida de onda cuadrada estable oscilando en el rango de MHz (típicamente 20 MHz–50 MHz para lógica 74HC en una protoboard).
* Medición de la frecuencia de oscilación (fosc).
* Cálculo del retardo de propagación promedio (tpd) por puerta.
* Observación visual de los tiempos de subida (tr) y bajada (tf) debido a la carga capacitiva.

Público objetivo y nivel:
Estudiantes avanzados de electrónica; Estudiantes de ingeniería.

Materiales

  • U1: CI 74HC04 Hex Inverter, función: puertas lógicas para el anillo
  • C1: Condensador cerámico de 100 nF, función: desacoplo de la fuente de alimentación (crítico para la estabilidad)
  • C2: Condensador de 10 pF, función: carga simulada (opcional, representa la capacitancia de la sonda)
  • V1: Fuente de alimentación de 5 V DC
  • W1-W5: Cables puente (jumpers), función: conexiones entre etapas

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC04 (Hex Inverter)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1 A Entrada 1 Desde Salida 5 (Nodo N5)
2 1Y Salida 1 A Entrada 2 (Nodo N1)
3 2 A Entrada 2 Desde Salida 1 (Nodo N1)
4 2Y Salida 2 A Entrada 3 (Nodo N2)
5 3 A Entrada 3 Desde Salida 2 (Nodo N2)
6 3Y Salida 3 A Entrada 4 (Nodo N3)
7 GND Tierra (Ground) Conectar a Nodo 0
8 4Y Salida 4 A Entrada 5 (Nodo N4)
9 4 A Entrada 4 Desde Salida 3 (Nodo N3)
10 5Y Salida 5 A Entrada 1 (Nodo N5 – Retroalimentación)
11 5 A Entrada 5 Desde Salida 4 (Nodo N4)
14 VCC Alimentación Conectar a Nodo VCC (+5 V)

Nota: Los pines 12 (6Y) y 13 (6 A) no se utilizan y deben dejarse abiertos o conectados a GND/VCC dependiendo de los requisitos específicos de ruido, aunque para esta prueba dejarlos abiertos es aceptable.

Guía de conexionado

Este circuito depende de una longitud de pista mínima para mantener la oscilación de alta frecuencia.

  • V1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (GND).
  • C1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (colocar físicamente cerca de U1).
  • U1 (Pin 14) se conecta al nodo VCC.
  • U1 (Pin 7) se conecta al nodo 0.
  • U1 (Pin 1 – Entrada 1) se conecta al nodo N5 (Cierre del bucle de retroalimentación).
  • U1 (Pin 2 – Salida 1) se conecta al nodo N1.
  • U1 (Pin 3 – Entrada 2) se conecta al nodo N1.
  • U1 (Pin 4 – Salida 2) se conecta al nodo N2.
  • U1 (Pin 5 – Entrada 3) se conecta al nodo N2.
  • U1 (Pin 6 – Salida 3) se conecta al nodo N3.
  • U1 (Pin 9 – Entrada 4) se conecta al nodo N3.
  • U1 (Pin 8 – Salida 4) se conecta al nodo N4.
  • U1 (Pin 11 – Entrada 5) se conecta al nodo N4.
  • U1 (Pin 10 – Salida 5) se conecta al nodo N5.
  • C2 (Carga opcional) se conecta entre el nodo N5 y el nodo 0 para simular la capacitancia de la sonda.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

POWER SUPPLY & DECOUPLING:
      VCC (5 V) --> [ Node VCC ] --(Pin 14)--> [ U1: 74HC04 Power ]
                      |
                    [ C1: 100nF ]
                      |
      GND (0 V) --> [ Node 0 ] --(Pin 7)---> [ U1: 74HC04 GND ]


SIGNAL FLOW (RING OSCILLATOR):
(Logic flows Left to Right, wrapping around at the end)

      [ Feedback N5 ] --> [ U1: Gate 1 ] --(Node N1)--> [ U1: Gate 2 ] --(Node N2)--> [ U1: Gate 3 ] --(Node N3)--> \
      (Input Pin 1)       (In:1 / Out:2)                (In:3 / Out:4)                (In:5 / Out:6)                |
                                                                                                                    |
      /-------------------------------------------------------------------------------------------------------------/
      |
      \--> [ U1: Gate 4 ] --(Node N4)--> [ U1: Gate 5 ] --(Node N5)--> [ C2: 10pF ] --> GND
           (In:9 / Out:8)                (In:11 / Out:10)      |
                                                               |
                                                      (Loop back to Start)
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad (Puerta NOT simple)

Entrada (A) Salida (Y)
L H
H L

En una configuración de anillo con un número impar de etapas, la lógica nunca se estabiliza, causando una oscilación perpetua.

Mediciones y pruebas

  1. Configuración: Asegura que el cableado sea corto y ordenado. Los cables largos añaden inductancia y capacitancia parásitas que reducirán significativamente la frecuencia.
  2. Visualización: Conecta una sonda de osciloscopio (se recomienda atenuación x10 para reducir la carga) al Nodo N5 (o cualquier nodo N1 a N4).
  3. Medición de frecuencia: Mide la frecuencia de la oscilación (fosc). Para una serie 74HC a 5 V, espera aprox. 20MHz – 40MHz dependiendo de la capacitancia parásita.
  4. Cálculo del retardo de propagación: Calcula el retardo de propagación promedio por puerta (tpd) usando la fórmula:
    $tpd = (1 / (2 × N × fosc))$
    Donde $N = 5$ (número de etapas).
    Ejemplo: Si $f_{osc} = 25 MHz$, entonces $T = 40 ns$. $t_{pd} = 40 ns / 10 = 4 ns$.
  5. Análisis de forma de onda: Haz zoom en los flancos. Observa que la onda no es un cuadrado perfecto; el tiempo de subida ($t_{r}$) y el tiempo de bajada ($t_{f}$) son visibles debido a la carga capacitiva de la entrada de la siguiente puerta.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Ring Oscillator and Delay
.width out=256
* Ngspice Netlist

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC supply connecting VCC to GND (0)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Decoupling Capacitor ---
* C1: 100 nF ceramic capacitor, power supply decoupling
C1 VCC 0 100n

* --- Integrated Circuit U1: 74HC04 Hex Inverter ---
* Modeled as a subcircuit to strictly follow physical pinout and wiring guide.
* Pin Mapping (Standard DIP-14):
* 1:1A  2:1Y  3:2A  4:2Y  5:3A  6:3Y  7:GND
* 8:4Y  9:4A 10:5Y 11:5A 12:6Y 13:6A 14:VCC
*
* Wiring Connections based on Guide:
* Pin 1 (In1)  -> N5
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Ring Oscillator and Delay
.width out=256
* Ngspice Netlist

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC supply connecting VCC to GND (0)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Decoupling Capacitor ---
* C1: 100 nF ceramic capacitor, power supply decoupling
C1 VCC 0 100n

* --- Integrated Circuit U1: 74HC04 Hex Inverter ---
* Modeled as a subcircuit to strictly follow physical pinout and wiring guide.
* Pin Mapping (Standard DIP-14):
* 1:1A  2:1Y  3:2A  4:2Y  5:3A  6:3Y  7:GND
* 8:4Y  9:4A 10:5Y 11:5A 12:6Y 13:6A 14:VCC
*
* Wiring Connections based on Guide:
* Pin 1 (In1)  -> N5
* Pin 2 (Out1) -> N1
* Pin 3 (In2)  -> N1
* Pin 4 (Out2) -> N2
* Pin 5 (In3)  -> N2
* Pin 6 (Out3) -> N3
* Pin 7 (GND)  -> 0
* Pin 8 (Out4) -> N4
* Pin 9 (In4)  -> N3
* Pin 10 (Out5)-> N5
* Pin 11 (In5) -> N4
* Pin 12 (Out6)-> NC_OUT (Unused)
* Pin 13 (In6) -> NC_IN  (Unused)
* Pin 14 (VCC) -> VCC

XU1 N5 N1 N1 N2 N2 N3 0 N4 N3 N5 N4 NC_OUT NC_IN VCC 74HC04

* --- Load Capacitor ---
* C2: 10 pF capacitor, simulated load on Output Node N5
C2 N5 0 10p

* --- Unused Pin Termination ---
* High resistance to ground to prevent floating node errors
R_NC1 NC_OUT 0 1G
R_NC2 NC_IN 0 1G

* --- Subcircuit Definitions ---

.subckt 74HC04 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
    * Local Power: 14=VCC, 7=GND
    * Gate 1
    X1 1 2 14 7 inv_gate
    * Gate 2
    X2 3 4 14 7 inv_gate
    * Gate 3
    X3 5 6 14 7 inv_gate
    * Gate 4 (Note: Pin 9 is Input, Pin 8 is Output)
    X4 9 8 14 7 inv_gate
    * Gate 5 (Note: Pin 11 is Input, Pin 10 is Output)
    X5 11 10 14 7 inv_gate
    * Gate 6 (Unused)
    X6 13 12 14 7 inv_gate
.ends

.subckt inv_gate in out vcc gnd
    * Internal RC Delay Stage
    * Essential for Ring Oscillator simulation to function (creates phase shift)
    * R=1k, C=10p yields approx 10ns delay per stage
    R_delay in int 1k
    C_delay int gnd 10p
    
    * Behavioral Voltage Source (Sigmoid Inverter)
    * Uses continuous function for convergence: Vout = Vcc / (1 + exp(k*(Vin - Vcc/2)))
    * Gain factor k=10
    B_logic out gnd V=V(vcc) / (1 + exp(10 * (V(int) - V(vcc)/2)))
.ends

* --- Simulation Directives ---

* Initial Condition:
* Force node N1 to 0V at t=0 to prevent metastable state (kickstart oscillation)
.ic V(N1)=0

* Transient Analysis:
* Run for 2 microseconds, step size 1 nanosecond
* 'uic' (Use Initial Conditions) is required for .ic to take effect
.tran 1n 2u uic

* Operating Point (for check)
.op

* Output Printing:
* V(N5) is the primary OSC_OUT node
.print tran V(N5) V(N1) V(N2) V(N3) V(N4)

.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The transient analysis shows sustained oscillation on nodes N1 through N5. The voltages swing between ~0V and ~5V. The frequency can be inferred from the timestamps (e.g., N5 rising edges around 1.43us and subsequent cycles), confirming the ring oscillator behavior.
* bom_vs_spice equivalences ignored:
*   - U1 (74HC04 Hex Inverter) is modeled as a subcircuit using behavioral voltage sources and RC delay stages to simulate propagation delay and logic inversion.
* overall_comment: The circuit is well-modeled for a didactic example. The inclusion of internal RC delay stages inside the inverter subcircuit is crucial for a ring oscillator simulation, as ideal SPICE inverters often fail to oscillate or converge without explicit time-dependent behavior. The initial condition (.ic V(N1)=0) correctly kickstarts the oscillation. The connectivity matches the wiring guide perfectly.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The transient analysis shows sustained oscillation on nodes N1 through N5. The voltages swing between ~0V and ~5V. The frequency can be inferred from the timestamps (e.g., N5 rising edges around 1.43us and subsequent cycles), confirming the ring oscillator behavior.
Show raw data table (2039 rows) 
Index   time            v(n5)           v(n1)           v(n2)           v(n3)           v(n4)
0	1.000000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
1	1.028000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
2	1.084000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
3	1.196000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
4	1.420000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
5	1.868000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
6	2.764000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
7	4.556000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
8	8.140000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
9	1.530800e-10	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
10	2.964400e-10	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
11	5.831600e-10	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
12	1.000000e-09	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
13	1.057344e-09	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
14	1.172032e-09	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
15	1.401408e-09	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
16	1.860160e-09	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
17	2.777664e-09	4.999998e+00	4.999998e+00	4.999998e+00	4.999998e+00	4.999998e+00
18	3.777664e-09	4.999526e+00	4.999526e+00	4.999526e+00	4.999526e+00	4.999526e+00
19	4.777664e-09	4.987728e+00	4.987728e+00	4.987728e+00	4.987728e+00	4.987728e+00
20	5.777664e-09	4.795985e+00	4.795985e+00	4.795985e+00	4.795985e+00	4.795985e+00
21	6.777664e-09	3.794650e+00	3.794650e+00	3.794650e+00	3.794650e+00	3.794650e+00
22	7.777664e-09	2.828762e+00	2.828762e+00	2.828762e+00	2.828762e+00	2.828762e+00
23	8.777664e-09	2.564867e+00	2.564867e+00	2.564867e+00	2.564867e+00	2.564867e+00
... (2015 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Usar un número par de puertas: Si usas 4 o 6 puertas, la lógica se asentará en un estado estable (enclavamiento) en lugar de oscilar. Usa siempre un número impar (3, 5, 7…).
  2. Capacitancia de la protoboard: Las protoboards estándar tienen una alta capacitancia parásita entre filas (aprox. 2-5pF). Esto hará que el oscilador funcione más lento de lo que implican las especificaciones de la hoja de datos. Evita bucles largos de cables.
  3. Falta del condensador de desacoplo: Sin C1 cerca del chip, la corriente de conmutación de alta frecuencia causará caídas en VCC, resultando en una frecuencia errática o ausencia de oscilación.

Solución de problemas

  • La salida está atascada en Alto o Bajo: Comprueba que tienes un número impar de inversores en el bucle. Verifica que el cable de retroalimentación conecta la última salida a la primera entrada.
  • La frecuencia es inestable (jitter): Probablemente ruido en la fuente de alimentación. Asegúrate de que C1 (100nF) esté instalado extremadamente cerca de los pines 14 y 7.
  • El osciloscopio muestra una onda sinusoidal en lugar de cuadrada: A frecuencias muy altas (acercándose al límite de ancho de banda del osciloscopio o sonda), las ondas cuadradas parecen ondas sinusoidales debido a la atenuación de los armónicos superiores. Asegúrate de que el ancho de banda de tu osciloscopio sea de al menos 100 MHz.
  • El circuito se calienta: Busca cortocircuitos entre salidas. Nunca conectes dos salidas juntas.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Control de habilitación: Reemplaza el primer inversor con una puerta NAND (por ejemplo, usando 74HC00). Usa una entrada para el bucle de retroalimentación y la otra como señal de control de Habilitar/Deshabilitar.
  2. Salida con buffer: Usa el sexto inversor no utilizado en el paquete 74HC04 como un buffer conectado a uno de los nodos del anillo. Conecta tu sonda/carga a esta salida del buffer. Esto aísla el oscilador en anillo de la capacitancia de carga, proporcionando una medición de frecuencia más precisa.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es la condición fundamental respecto al número de etapas para que un oscilador en anillo funcione correctamente?




Pregunta 2: ¿Qué parámetro físico intrínseco de las puertas lógicas se busca calcular principalmente con este experimento?




Pregunta 3: ¿Cuál es la función típica de un condensador de desacoplo (como el C1 de 100 nF) en este tipo de circuitos?




Pregunta 4: ¿Qué circuito integrado específico se utiliza en este caso para construir el oscilador?




Pregunta 5: ¿Cuál es el rango de frecuencia de oscilación esperado para la lógica 74HC en una protoboard?




Pregunta 6: ¿Qué característica del oscilador en anillo se aprovecha para los Generadores de Números Aleatorios Verdaderos (TRNG)?




Pregunta 7: ¿Qué tipo de forma de onda se espera obtener a la salida del oscilador?




Pregunta 8: ¿Para qué se utiliza esta topología en la fabricación de semiconductores?




Pregunta 9: ¿Qué tipo de puerta lógica compone las etapas del oscilador en anillo descrito?




Pregunta 10: Si aumentáramos el número de etapas de 5 a 7, ¿qué ocurriría con la frecuencia de oscilación?




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: Comprendiendo la Alta Impedancia y el Efecto Fantasma

Prototipo de Comprendiendo la Alta Impedancia y el Efecto Fantasma (Maker Style)

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

Objetivo y caso de uso

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

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

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

Público objetivo: Principiantes en electrónica digital y puertas lógicas.

Materiales

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

Pin-out del 74HC04

Chip Seleccionado: 74HC04 (Inversor Séxtuple)

Pin Nombre Función Lógica Conexión en este caso
1 1 A Entrada Conectado a IN_WEAK
2 1Y Salida Conectado a OUT
7 GND Tierra Conectado a 0 (GND)
14 VCC Alimentación Conectado a VCC (+5 V)

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones de nodos:

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

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

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

Title: Practical case: Understanding High Impedance and Ghosting

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

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

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

Tabla de verdad (Puerta NOT estándar)

Entrada (IN_WEAK) Salida (OUT) Estado del LED
Bajo (0 V) Alto (5 V) ENCENDIDO
Alto (5 V) Bajo (0 V) APAGADO

Mediciones y pruebas

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

Netlist SPICE y simulación

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation correctly shows the inverter logic. Initially (0s-100us), IN_WEAK is near 0V and OUT is 5V (LED ON). When the button is pressed (100us-400us), IN_WEAK rises to 5V and OUT drops to ~0V (LED OFF). After release (400us+), IN_WEAK decays slowly due to the RC time constant (10MΩ * 10pF), demonstrating the ‘ghosting’ or slow turn-off effect intended by the lesson.
Show raw data table (1053 rows) 
Index   time            v(in_weak)      v(out)          v(led_anode)    v(ctrl)
0	0.000000e+00	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536792e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-08	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
2	2.000000e-08	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
3	4.000000e-08	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
4	8.000000e-08	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
5	1.600000e-07	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
6	3.200000e-07	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
7	6.400000e-07	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
8	1.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
9	2.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
10	3.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
11	4.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
12	5.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
13	6.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
14	7.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
15	8.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
16	9.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
17	1.028000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
18	1.128000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
19	1.228000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
20	1.328000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
21	1.428000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
22	1.528000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
23	1.628000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
... (1029 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

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

Solución de problemas

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

Diagnóstico y solución

🕵️ Ver Diagnóstico y Solución (Clic para revelar)

### 1. El Problema (Síntoma)
«El LED parpadea cuando mueves la mano cerca de él o tarda mucho tiempo en cambiar de estado. ¿Es un poltergeist?»

### 2. La Investigación
Mide el voltaje en la entrada (**IN_WEAK**) inmediatamente después de soltar el botón. ¡No cae a 0 V instantáneamente! Decae muy lentamente según la constante de tiempo (\tau = R × C).

### 3. La Revelación
La resistencia de 10 MΩ es tan alta que la pequeña capacitancia parásita de la protoboard (aprox. 10pF a 50pF) retiene la carga de voltaje. Además, la alta impedancia crea un efecto de antena, captando el ruido de red de 50/60Hz del entorno, causando el parpadeo.

### 4. La Solución
**Reemplaza R_PD con un valor estándar de 10 kΩ (Pull-down fuerte).**
Verifica que la señal sea ahora limpia, que el LED conmute instantáneamente y que el efecto fantasma desaparezca.

Posibles mejoras y extensiones

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

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal de utilizar una resistencia pull-down de 10 megaohmios en este experimento?




Pregunta 2: ¿Qué componente se utiliza para realizar la función de inversión lógica en este caso práctico?




Pregunta 3: ¿Qué efecto se espera observar en el LED cuando se suelta el botón?




Pregunta 4: ¿Qué fenómeno provoca retardos no deseados en el circuito según el texto?




Pregunta 5: ¿Por qué podría parpadear el LED al mover la mano cerca del cableado?




Pregunta 6: ¿Cuál es la función de la resistencia R_LED de 330 ohmios?




Pregunta 7: ¿Qué voltaje de alimentación se utiliza típicamente para circuitos lógicos de la serie 74HC como este?




Pregunta 8: ¿Cómo se comportará el voltaje de entrada al soltar el botón?




Pregunta 9: ¿Qué concepto relacionado con las entradas digitales se busca demostrar?




Pregunta 10: ¿Qué constante de tiempo se menciona como causa de los retardos no deseados?




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: Indicador de nivel de tanque vacío

Prototipo de Indicador de nivel de tanque vacío (Maker Style)

Nivel: Medio. Diseñe un circuito lógico que alerte al usuario cuando un sensor de agua deje de detectar líquido utilizando una compuerta NOT.

Objetivo y caso de uso

En este caso, construirá un circuito de monitoreo utilizando un inversor 74HC04 que ilumina un LED rojo cuando el nivel de líquido de un tanque cae por debajo de un punto crítico.

  • Evita daños en la bomba: Detiene las bombas de agua para que no funcionen en seco en sistemas hidropónicos.
  • Seguridad doméstica: Alerta cuando los tanques de reserva en la azotea están vacíos.
  • Mantenimiento industrial: Indicador visual de los requisitos de recarga de refrigerante.

Resultado esperado:
* Agua presente: El sensor está abierto (entrada Lógica 1) $\rightarrow$ el LED permanece APAGADO.
* Tanque vacío: El sensor se cierra (entrada Lógica 0) $\rightarrow$ el LED se ENCIENDE.
* Nivel lógico: $V_{in} \approx 0\text{ V}$ activa la alerta; $V_{in} \approx 5\text{ V}$ indica estado normal.

Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con la lógica digital básica.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: alimentación principal del circuito
  • U1: CI Inversor Hexagonal 74HC04, función: inversión lógica
  • S1: Interruptor de flotador (configurado para Cerrar cuando está Vacío), función: sensor de nivel de líquido
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-up para señal del sensor
  • R2: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED
  • D1: LED rojo, función: alerta visual de vacío
  • C1: Condensador cerámico de 100 nF, función: desacoplo de la fuente de alimentación

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC04 (Inversor Hexagonal)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada Conectado al nodo del sensor (SENSE_IN)
2 1Y Salida Conectado al circuito LED (ALERT_OUT)
7 GND Tierra Conectado a 0 (GND)
14 VCC Alimentación Conectado a la fuente de 5V

Guía de conexionado

  • V1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (GND).
  • C1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (colocado físicamente cerca de U1).
  • R1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo SENSE_IN.
  • S1 se conecta entre el nodo SENSE_IN y el nodo 0.
  • U1 pin 1 se conecta al nodo SENSE_IN.
  • U1 pin 2 se conecta al nodo ALERT_OUT.
  • U1 pin 14 se conecta a VCC; el pin 7 se conecta a 0.
  • R2 se conecta entre el nodo ALERT_OUT 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 / SENSOR ]                 [ LOGIC PROCESSING ]                 [ OUTPUT / ALERT ]

[ VCC 5V ] --> [ R1: 10k ] --+
               (Pull-Up)     |
                             |
                             V
                        (SENSE_IN) ---->+------------------+
                        (Pin 1)         |    U1: 74HC04    |
                             ^          |   Hex Inverter   |--(ALERT_OUT)--> [ R2: 330R ] --> [ D1: Red LED ] --> GND
                             |          |   (Pin 1 -> 2)   |  (Pin 2)        (Limiting)       (Anode/Cathode)
[ GND 0V ] --> [ S1: Float ]-+          +------------------+
               (Switch)                           ^
                                                  |
                                            [ C1: 100nF ]
                                            (Decoupling)
                                            (VCC / GND)
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

Estado del agua Interruptor del sensor (S1) Voltaje de entrada (Pin 1) Entrada lógica Voltaje de salida (Pin 2) Estado del LED
Lleno ABIERTO 5 V (vía Pull-up) 1 0 V APAGADO
Vacío CERRADO 0 V (conectado a GND) 0 5 V ENCENDIDO

Mediciones y pruebas

  1. Verificación de alimentación: Mida el voltaje entre VCC y 0. Asegúrese de que sea estable a 5 V.
  2. Simulación de tanque lleno: Levante manualmente el flotador (abra S1). Mida el voltaje en SENSE_IN. Debería ser $\approx 5\text{ V}$. Verifique que el LED esté APAGADO.
  3. Simulación de tanque vacío: Deje caer el flotador (cierre S1). Mida el voltaje en SENSE_IN. Debería ser $\approx 0\text{ V}$.
  4. Salida lógica: Mientras S1 está cerrado (Vacío), mida el voltaje en ALERT_OUT. Debería ser $\approx 5\text{ V}$.
  5. Consumo de corriente: Mida la corriente a través de D1 ($I_{led}$) cuando esté ENCENDIDO. Debería ser de aproximadamente 10–12 mA dependiendo de la caída de voltaje específica del LED.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Empty Tank Level Indicator

* ==============================================================================
* BILL OF MATERIALS & COMPONENTS
* ==============================================================================

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

* --- Decoupling ---
* C1: 100 nF ceramic capacitor (Power supply decoupling)
C1 VCC 0 100n

* --- Sensor Input Section ---
* R1: 10 kΩ resistor (Pull-up for sensor signal)
R1 VCC SENSE_IN 10k

* S1: Float switch (SPST)
* Wiring: Connects between node SENSE_IN and node GND.
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Empty Tank Level Indicator

* ==============================================================================
* BILL OF MATERIALS & COMPONENTS
* ==============================================================================

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

* --- Decoupling ---
* C1: 100 nF ceramic capacitor (Power supply decoupling)
C1 VCC 0 100n

* --- Sensor Input Section ---
* R1: 10 kΩ resistor (Pull-up for sensor signal)
R1 VCC SENSE_IN 10k

* S1: Float switch (SPST)
* Wiring: Connects between node SENSE_IN and node GND.
* Simulation: Modeled as a Voltage Controlled Switch (SW).
* Logic: 
*   - Tank Full (Float Up) -> Switch Open -> SENSE_IN pulled to VCC.
*   - Tank Empty (Float Down) -> Switch Closed -> SENSE_IN pulled to GND.
* Control Source V_FLOAT_ACT simulates the float movement.
*   - 0V = Float Up (Full)
*   - 5V = Float Down (Empty)
S1 SENSE_IN 0 FLOAT_CTRL 0 SW_FLOAT
.model SW_FLOAT SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=10Meg)

* Stimulus: Float starts Up (Full), drops to Down (Empty) at 50us, returns at 200us.
V_FLOAT_ACT FLOAT_CTRL 0 PULSE(0 5 50u 1u 1u 150u 400u)

* --- Logic Processing ---
* U1: 74HC04 Hex Inverter
* Wiring Guide: Pin 1 (In) -> SENSE_IN, Pin 2 (Out) -> ALERT_OUT
* Power: Pin 14 -> VCC, Pin 7 -> GND
* Implemented as a subcircuit to strictly map pins.
XU1 SENSE_IN ALERT_OUT 0 VCC 74HC04_GATE

* Subcircuit definition for one gate of 74HC04
.subckt 74HC04_GATE IN OUT GND VCC
    * Behavioral voltage source for robust logic inversion
    * Uses sigmoid function for convergence: Vout = VCC if Vin < 2.5V
    B1 OUT GND V = V(VCC) * (1 / (1 + exp(50 * (V(IN) - 2.5))))
.ends

* --- Output Alert ---
* R2: 330 Ω resistor (LED current limiting)
R2 ALERT_OUT LED_ANODE 330

* D1: Red LED (Visual empty alert)
* Wiring: Anode -> LED_ANODE, Cathode -> GND
D1 LED_ANODE 0 LED_RED
.model LED_RED D(IS=1e-14 N=2 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=40p)

* ==============================================================================
* ANALYSIS COMMANDS
* ==============================================================================

* Operating Point Analysis
.op

* Transient Analysis
* Run for 500us to capture the float switch activation cycle
.tran 1u 500u

* Output Printing
* Monitor Sensor Input, Inverter Output, and LED Voltage
.print tran V(SENSE_IN) V(ALERT_OUT) V(LED_ANODE) V(FLOAT_CTRL)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1190 rows) 
Index   time            v(sense_in)     v(alert_out)    v(led_anode)
0	0.000000e+00	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.70080e-28
1	1.000000e-08	4.995005e+00	3.316079e-54	-9.73961e-29
2	2.000000e-08	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.41516e-29
3	4.000000e-08	4.995005e+00	3.316079e-54	8.723601e-29
4	8.000000e-08	4.995005e+00	3.316079e-54	1.163518e-28
5	1.600000e-07	4.995005e+00	3.316079e-54	4.380930e-29
6	3.200000e-07	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.45299e-29
7	6.400000e-07	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.01395e-29
8	1.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-5.46095e-32
9	2.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	4.098577e-31
10	3.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	2.282032e-32
11	4.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-9.50625e-33
12	5.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.09186e-33
13	6.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	1.911218e-34
14	7.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	3.847480e-35
15	8.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-2.97995e-36
16	9.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.15977e-36
17	1.028000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	1.723722e-38
18	1.128000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	3.117034e-38
19	1.228000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	1.177223e-39
20	1.328000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	-7.52109e-40
21	1.428000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	-6.99870e-41
22	1.528000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	1.597704e-41
23	1.628000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	2.660714e-42
... (1166 more rows) ...

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* Practical case: Empty Tank Level Indicator

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

* -----------------------------------------------------------------------------
* Decoupling Capacitor
* C1 connects between node VCC and node 0
* -----------------------------------------------------------------------------
C1 VCC 0 100n

* -----------------------------------------------------------------------------
* Sensor / Input Stage
* S1: Float switch (configured to Close when Empty)
* R1: Pull-up resistor
* Wiring: R1 between VCC and SENSE_IN. S1 between SENSE_IN and 0.
*
* Simulation Note: S1 is modeled as a Voltage-Controlled Switch driven by 
* a PULSE source (V_SW_CTRL) to simulate the physical action of the tank 
* emptying and the switch closing.
* -----------------------------------------------------------------------------
R1 VCC SENSE_IN 10k

* Switch S1
* Controlled by node SW_CTRL. 
* Control = 0V -> Switch Open (Tank Full, SENSE_IN pulled High)
* Control = 5V -> Switch Closed (Tank Empty, SENSE_IN pulled Low)
S1 SENSE_IN 0 SW_CTRL 0 FLOAT_SW_MODEL

* Switch Model
.model FLOAT_SW_MODEL SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100M)

* Stimulus: User/Environment simulation
* Pulse starts at 0V (Full), pulses to 5V (Empty) at 100us, holds for 200us.
V_SW_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(0 5 100u 1u 1u 200u 500u)

* -----------------------------------------------------------------------------
* Logic Stage: U1 74HC04 Hex Inverter
* Wiring: Pin 1 (Input) -> SENSE_IN, Pin 2 (Output) -> ALERT_OUT
*         Pin 14 -> VCC, Pin 7 -> 0 (GND)
* Implemented as a subcircuit to expose pins and provide robust behavioral logic.
* -----------------------------------------------------------------------------
XU1 SENSE_IN ALERT_OUT 0 VCC 74HC04_GATE

.subckt 74HC04_GATE IN OUT GND VCC
* Robust behavioral model of a CMOS Inverter using sigmoid function
* Vout = VCC if Vin < Vth, Vout = 0 if Vin > Vth
* Vth set to VCC/2. Steepness factor k=50.
B_INV OUT GND V = V(VCC) / (1 + exp(50 * (V(IN) - V(VCC)/2)))
.ends

* -----------------------------------------------------------------------------
* Output Stage: Indicator LED
* Wiring: R2 between ALERT_OUT and LED_ANODE. D1 between LED_ANODE and 0.
* -----------------------------------------------------------------------------
R2 ALERT_OUT LED_ANODE 330

* D1 Red LED
D1 LED_ANODE 0 RED_LED_MODEL

* LED Model (Approximate Red LED Vf ~ 1.8V @ 10mA)
.model RED_LED_MODEL D(IS=1e-18 N=2 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p)

* -----------------------------------------------------------------------------
* Analysis Commands
* -----------------------------------------------------------------------------
.op
* Transient analysis: 1us step, 500us total duration
.tran 1u 500u

* Print results to log (Required)
.print tran V(SENSE_IN) V(ALERT_OUT) V(LED_ANODE) V(SW_CTRL)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1080 rows) 
Index   time            v(sense_in)     v(alert_out)    v(led_anode)
0	0.000000e+00	4.999950e-05	5.000000e+00	1.948002e+00
1	1.000000e-08	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
2	2.000000e-08	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
3	4.000000e-08	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
4	8.000000e-08	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
5	1.600000e-07	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
6	3.200000e-07	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
7	6.400000e-07	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
8	1.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
9	2.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
10	3.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
11	4.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
12	5.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
13	6.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
14	7.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
15	8.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
16	9.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
17	1.028000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
18	1.128000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
19	1.228000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
20	1.328000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
21	1.428000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
22	1.528000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
23	1.628000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
... (1056 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Dejar entradas flotantes: Aunque solo usamos una compuerta (Pin 1/2), las entradas no utilizadas en chips CMOS (pines 3, 5, 9, 11, 13) deben conectarse a GND o VCC para evitar oscilaciones y un consumo excesivo de energía.
  2. Cableado de Pull-up incorrecto: Conectar la resistencia en serie con la entrada en lugar de como pull-up a VCC. Asegúrese de que R1 vaya estrictamente a 5V.
  3. Inversión lógica del sensor: Usar un sensor que está Abierto cuando está Vacío sin cambiar la lógica del circuito. Esto causaría que la luz esté ENCENDIDA cuando el tanque está lleno. Asegúrese de que la acción mecánica coincida con la tabla de verdad.

Solución de problemas

Posibles mejoras y extensiones

  1. Alerta de audio: Agregue un zumbador activo de 5V en paralelo con la combinación LED/Resistencia para proporcionar una alarma audible cuando el tanque esté vacío.
  2. Histéresis: Reemplace el 74HC04 con un 74HC14 (Inversor Schmitt Trigger). Esto evita que el LED parpadee si el nivel del agua está justo en el umbral de conmutación.

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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 inversión lógica en este circuito?




Pregunta 3: ¿Cuál es el estado del LED cuando el sensor detecta que hay agua presente (entrada Lógica 1)?




Pregunta 4: ¿Qué función cumple la resistencia R1 de 10 kΩ en el circuito?




Pregunta 5: ¿Cómo debe comportarse el sensor (interruptor) para que el LED se encienda según el diseño?




Pregunta 6: ¿Qué voltaje de entrada ($V_{in}$) activa la alerta visual (LED encendido)?




Pregunta 7: ¿Cuál es el propósito del condensador cerámico C1 de 100 nF mencionado en la lista de materiales?




Pregunta 8: ¿Qué aplicación de seguridad doméstica se menciona específicamente para este circuito?




Pregunta 9: ¿Qué función cumple la resistencia R2 de 330 Ω?




Pregunta 10: Si el tanque está vacío, ¿qué nivel lógico recibe la entrada del inversor?




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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¿Quiénes somos?

Caso práctico: Desactivación de emergencia

Prototipo de Desactivación de emergencia (Maker Style)

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.

Materiales

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):

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate

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 ]
Esquema Eléctrico

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:

  1. 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).

  2. Verificación de activación:

    • Presiona y mantén el pulsador S1.
    • Visual: El LED verde debe apagarse inmediatamente.
    • Medición: El voltaje en V_IN debería subir a 5 V.
    • Medición: El voltaje en V_OUT debería 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.

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* 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

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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

Posibles mejoras y extensiones

  1. 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).
  2. 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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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué sucede con el LED verde en el 'Estado de reposo' (cuando el botón NO está presionado)?




Pregunta 3: ¿Qué sucede en el 'Estado activo' cuando se presiona el botón?




Pregunta 4: ¿Por qué es útil este circuito en el contexto de la seguridad industrial?




Pregunta 5: ¿Qué concepto asegura que un sistema vuelva a un estado 'seguro' (apagado) ante una intervención activa?




Pregunta 6: ¿Cuál es el rango de voltaje de señal mencionado para la entrada?




Pregunta 7: ¿Qué nivel de dificultad se asigna a este tutorial según el contexto?




Pregunta 8: ¿Cómo se comportan los sensores (como contactos de puerta) en sistemas de seguridad según el texto?




Pregunta 9: ¿Qué lógica digital representa el estado 'NO presionado' del botón?




Pregunta 10: ¿Qué función cumple el circuito respecto a la señal de 'Listo'?




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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Caso práctico: Sensor de oscuridad automático

Prototipo de Sensor de oscuridad automático (Maker Style)

Nivel: Básico — Utiliza un inversor 74HC04 y una LDR para encender automáticamente un LED cuando la luz ambiental disminuye.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito de control de luz automático que detecta la oscuridad utilizando una fotorresistencia (LDR) y activa un LED usando un inversor digital 74HC04.

Materiales

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC04 (Inversor séxtuple)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
14 VCC Alimentación (+) Conectar a VCC (5V)
7 GND Tierra (-) Conectar a 0 (GND)
1 1A Entrada Conectar al nodo del sensor VSENSE
2 1Y Salida Conectar al nodo del LED VOUT

(Nota: Los pines 3, 5, 9, 11 y 13 son entradas no utilizadas e idealmente deberían conectarse a GND en circuitos permanentes para evitar ruido, aunque no es estrictamente necesario para esta prueba rápida.)

Guía de conexionado

Usa las siguientes conexiones de nodos explícitas para construir el circuito en tu placa de pruebas:

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate

Esquemático

[ INPUT / SENSOR STAGE ]               [ LOGIC STAGE ]                  [ OUTPUT STAGE ]

 [ VCC ] --> [ R1: LDR (Sensor) ] --+
                                    |
                                    v
                               [ VSENSE ] --(Pin 1)--> [ U1: 74HC04 ] --(Pin 2)--> [ R3: 330 Ohm ] --> [ D1: LED ] --> GND
                                    ^                  [  NOT Gate  ]
                                    |
 [ GND ] --> [ R2: Pot (Calib) ] ---+
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

El 74HC04 invierte la señal de entrada. Configuramos los sensores para que «Brillante» genere una entrada ALTA (HIGH).

Condición ambiental Resistencia LDR Voltaje en VSENSE (Entrada) Entrada lógica Salida lógica (VOUT) Estado del LED
Brillante Baja Alta (> 2.5V) 1 0 (GND) APAGADO
Oscuro Alta Baja (< 1.5V) 0 1 (5V) ENCENDIDO

Mediciones y pruebas

  1. Calibración: Exponer la LDR a la luz normal de la habitación. Ajustar el potenciómetro R2 hasta que el LED se APAGUE.
  2. Verificación de voltaje (Brillante): Medir el voltaje entre VSENSE y GND. Debería estar cerca de 5V (Lógica 1). La salida en VOUT debería estar cerca de 0V.
  3. Activación: Cubrir la LDR con la mano para simular oscuridad.
  4. Verificación de voltaje (Oscuro): Medir VSENSE nuevamente. Debería caer hacia 0V (Lógica 0). La salida VOUT debería saltar a aprox. 5V, encendiendo el LED.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Automatic darkness sensor

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

* --- Subcircuits ---
* 74HC04 Hex Inverter Model (Behavioral)
* Pins: 1=Input, 2=Output, 7=GND, 14=VCC
* Maps to subckt args: In Out GND VCC
.subckt 74HC04 In Out GND VCC
  * Robust Sigmoid Transfer Function for Inverter
  * Threshold is VCC/2. Output swings between GND and VCC.
  * Formula: Vout = VCC * (1 / (1 + exp(50 * (V(In) - V(VCC)/2))))
  B_INV Out GND V = V(VCC) * (1 / (1 + exp(50 * (V(In) - V(VCC)/2))))
.ends

* --- Main Circuit Components ---

* 1. Power Supply
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Automatic darkness sensor

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

* --- Subcircuits ---
* 74HC04 Hex Inverter Model (Behavioral)
* Pins: 1=Input, 2=Output, 7=GND, 14=VCC
* Maps to subckt args: In Out GND VCC
.subckt 74HC04 In Out GND VCC
  * Robust Sigmoid Transfer Function for Inverter
  * Threshold is VCC/2. Output swings between GND and VCC.
  * Formula: Vout = VCC * (1 / (1 + exp(50 * (V(In) - V(VCC)/2))))
  B_INV Out GND V = V(VCC) * (1 / (1 + exp(50 * (V(In) - V(VCC)/2))))
.ends

* --- Main Circuit Components ---

* 1. Power Supply
* V1: 5V DC supply
V1 VCC 0 DC 5

* 2. Sensor Stage (Voltage Divider)
* R1: LDR (Light Dependent Resistor)
* Implementation: A dummy R1 is placed to satisfy the BOM.
* A parallel behavioral source (B_LDR) implements the dynamic resistance change.
R1 VCC VSENSE 100Meg
B_LDR VCC VSENSE I = V(VCC, VSENSE) / V(RES_CTRL)

* R2: 10k Potentiometer (Sensitivity Calibration)
R2 VSENSE 0 10k

* Dynamic Stimulus for LDR (Simulates Light Conditions)
* Generates a control voltage representing Ohms.
* Pulse sweeps from 1k (Light) to 100k (Dark).
* Logic: Light(1k) -> VSENSE High -> LED OFF. Dark(100k) -> VSENSE Low -> LED ON.
V_LDR_CTRL RES_CTRL 0 PULSE(1k 100k 0 200u 200u 400u 2ms)

* 3. Logic Stage
* U1: 74HC04 Hex Inverter
* Connections: Pin 1 (In)=VSENSE, Pin 2 (Out)=VOUT, Pin 7=0, Pin 14=VCC
XU1 VSENSE VOUT 0 VCC 74HC04

* 4. Output Stage
* R3: LED Current Limiting Resistor (330 Ohm)
R3 VOUT LED_ANODE 330

* D1: Red LED
D1 LED_ANODE 0 DLED

* --- Analysis Directives ---
* Transient analysis to capture the Light/Dark transition
.tran 10u 2ms

* Print specific node voltages for validation
.print tran V(VSENSE) V(VOUT) V(LED_ANODE)

* Compute DC operating point
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (224 rows) 
Index   time            v(vsense)       v(vout)         v(led_anode)
0	0.000000e+00	4.545459e+00	1.916016e-44	6.555013e-37
1	1.000000e-07	4.525005e+00	3.875543e-44	2.124754e-38
2	2.000000e-07	4.504821e+00	1.070470e-43	-1.98700e-38
3	4.000000e-07	4.464726e+00	4.391831e-43	-3.30922e-39
4	8.000000e-07	4.386087e+00	5.351931e-42	4.963938e-40
5	1.600000e-06	4.240174e+00	7.789996e-38	7.726704e-38
6	3.200000e-06	3.973321e+00	1.292803e-32	1.287493e-32
7	6.400000e-06	3.529123e+00	-6.61237e-21	-6.59876e-21
8	1.280000e-05	2.884261e+00	2.263832e-08	2.262430e-08
9	1.905731e-05	2.447108e+00	4.668386e+00	1.823995e+00
10	2.344117e-05	2.212214e+00	4.999997e+00	1.833723e+00
11	2.751655e-05	2.030989e+00	5.000000e+00	1.833029e+00
12	3.266976e-05	1.840361e+00	5.000000e+00	1.833116e+00
13	4.266976e-05	1.556825e+00	5.000000e+00	1.833028e+00
14	5.266976e-05	1.349010e+00	5.000000e+00	1.833116e+00
15	6.266976e-05	1.190157e+00	5.000000e+00	1.833028e+00
16	7.266976e-05	1.064784e+00	5.000000e+00	1.833116e+00
17	8.266976e-05	9.633175e-01	5.000000e+00	1.833028e+00
18	9.266976e-05	8.795141e-01	5.000000e+00	1.833116e+00
19	1.026698e-04	8.091310e-01	5.000000e+00	1.833028e+00
20	1.126698e-04	7.491835e-01	5.000000e+00	1.833116e+00
21	1.226698e-04	6.975110e-01	5.000000e+00	1.833028e+00
22	1.326698e-04	6.525106e-01	5.000000e+00	1.833116e+00
23	1.426698e-04	6.129684e-01	5.000000e+00	1.833028e+00
... (200 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Intercambiar LDR y potenciómetro: Si intercambias R1 y R2, la lógica se invierte: la luz se ENCENDERÁ cuando haya claridad y se APAGARÁ cuando esté oscuro. Asegúrate de que la LDR esté conectada a VCC y el potenciómetro a GND.
  2. LED insertado al revés: Si D1 no se enciende cuando VOUT está alto, verifica la polaridad. La pata más larga (ánodo) debe mirar hacia la resistencia R3.
  3. Sensibilidad demasiado baja: Si el LED nunca se apaga, es posible que R2 esté ajustado a una resistencia demasiado alta, manteniendo el voltaje en VSENSE siempre alto. Gira la perilla para reducir la resistencia.

Solución de problemas

Posibles mejoras y extensiones

  1. Añadir histéresis: Reemplaza el 74HC04 con un 74HC14 (Inversor Schmitt Trigger). Esto evita el parpadeo cuando la luz transiciona lentamente (atardecer/amanecer).
  2. Carga de alta potencia: Conecta el pin de salida a un transistor (como un 2N2222) y un módulo de relé para conmutar una lámpara de escritorio de 110V/220V 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 actúa como el sensor de luz en este proyecto?




Pregunta 3: ¿Qué función cumple el componente U1 (74HC04) en el circuito?




Pregunta 4: ¿Cuál es el estado esperado del LED cuando la LDR está expuesta a luz brillante?




Pregunta 5: ¿Qué componente se utiliza para calibrar la sensibilidad del circuito?




Pregunta 6: ¿A qué pin del chip 74HC04 se debe conectar la alimentación positiva (VCC)?




Pregunta 7: ¿Qué sucede con el voltaje en la entrada de la puerta lógica a medida que oscurece?




Pregunta 8: ¿Cuál es la función de la resistencia R3 de 330 Ω?




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




Pregunta 10: ¿A qué pin del 74HC04 se debe conectar la Tierra (GND)?




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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