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🚦 Semáforo con compuertas lógicas

Un semáforo para el cruce de dos calles armado con integrados de la familia 4000: un NE555 da el reloj, un contador binario cuenta los segundos y unas pocas compuertas deciden qué luz se enciende en cada momento. El proyecto completo, del esquemático al protoboard.

Técnicas Digitales · Seis integrados · La simulación corre con el mismo circuito que está dibujado.

El cruce

La calle A corre de izquierda a derecha y la calle B de arriba hacia abajo. Los autos respetan lo que muestran los semáforos: frenan con el rojo y con el amarillo, salvo que ya estén tan cerca de la línea que no les dé para frenar.

Diagrama de tiempos de un ciclo completo

Los dieciséis estados del contador, uno por pulso de reloj. La franja azul marca dónde está el circuito ahora.

Tabla de estados

El contador recorre los estados 0 a 15 y vuelve a empezar. La primera mitad del ciclo es de la calle A y la segunda de la calle B; en cada mitad, los dos últimos estados son de amarillo. La fila resaltada es la que está mostrando la simulación.

Esquemático completo

Los cables de las señales lógicas cambian de color con la simulación: verde es nivel alto y gris oscuro es nivel bajo. Los números chicos junto a cada patita son los del integrado. En el teléfono, el dibujo se desliza de costado.

Reloj Estado 0 · 0000

Cómo se lee

  • U1, el NE555, oscila como astable: R1, R2 y C1 fijan un período de un segundo.
  • U2, el CD4520, avanza un estado con cada flanco ascendente del reloj. El pulsador S1 lo devuelve a cero; R3 mantiene el reinicio en nivel bajo mientras no se pulsa.
  • U3A y U4A arman las señales auxiliares: \( \overline{Q_4} \) y F, y de F sale \( \overline{F} \) con U3B. Las cuatro bajan por las barras verticales.
  • Seis compuertas AND, una por luz, toman de las barras lo que pide cada ecuación.
  • U6, el ULN2003A, enciende los LED: cada salida activa lleva a masa el cátodo del LED que le corresponde.

Lo que no está dibujado

  • La alimentación de U3, U4 y U5: patita 14 a +9 V y patita 7 a masa en los tres.
  • Un capacitor de 100 nF entre +9 V y masa al lado de cada integrado, y uno electrolítico de 100 µF a la entrada de la alimentación.
  • Las entradas sin usar: las de U3C a U3F y las de U5D van a masa. En CMOS una entrada al aire toma cualquier valor y hace consumir corriente al integrado.
Por qué las rojas pasan por una compuerta. Rojo A es Q4 y Rojo B es \( \overline{Q_4} \): podrían ir directo al ULN2003A. Pero cada entrada del ULN2003A toma unos 3 mA y una salida CMOS que entrega esa corriente baja su tensión. Q4 y \( \overline{Q_4} \) también alimentan otras compuertas, que necesitan un nivel alto limpio. U5B y U5C, con sus dos entradas unidas, hacen de separador.

Cuántos integrados hacen falta

6integrados en total
1NE555 · reloj
1CD4520 · contador
1CD4069 · 2 de 6 inversores
2CD4081 · 7 de 8 AND
1ULN2003A · 6 de 7 canales

Cada dibujo es el integrado visto desde arriba, con la muesca hacia arriba: la patita 1 queda arriba a la izquierda y la numeración sigue en sentido contrario a las agujas del reloj. El color de cada patita sigue a la simulación: verde en alto, gris en bajo, naranja +9 V, azul masa.

Lista de conexiones

Para armar en el protoboard conviene ir tachando de a una. «U4·12» quiere decir patita 12 de U4.

Lista de materiales

El reloj: NE555 en astable

\( t_{\text{alto}} = 0{,}693\,(R_1 + R_2)\,C_1 \) \( t_{\text{bajo}} = 0{,}693\,R_2\,C_1 \)
\( T = t_{\text{alto}} + t_{\text{bajo}} = 0{,}693\,(R_1 + 2R_2)\,C_1 \) Con R1 = 10 kΩ, R2 = 68 kΩ y C1 = 10 µF da T ≈ 1,01 s. El contador avanza con los flancos ascendentes, así que no importa que el tiempo alto sea más largo que el bajo.

Todos los tiempos del semáforo son múltiplos de T: verde 6 T, amarillo 2 T y rojo 8 T. Si R2 se reemplaza por un preset de 100 kΩ en serie con uno fijo de 22 kΩ, se ajusta el ciclo completo sin tocar la proporción entre las luces.

Armado por etapas

  1. Alimentación. Batería o fuente de 9 V con el electrolítico de 100 µF. Medir antes de poner ningún integrado.
  2. Reloj. Armar el NE555 y probar la patita 3 con un LED y un resistor de 1 kΩ a masa: tiene que parpadear una vez por segundo.
  3. Contador. Agregar el CD4520 y mirar Q1 a Q4 con LED de prueba: tienen que contar en binario. Q4 cambia cada 8 segundos.
  4. Decodificador. Agregar el CD4069 y los dos CD4081. Con un tester, F tiene que ponerse en alto en los estados 6, 7, 14 y 15.
  5. Luces. Agregar el ULN2003A, los seis resistores de 470 Ω y los LED. Con el pulsador de reinicio se arranca siempre desde el verde de la calle A.

Probar cada etapa antes de pasar a la siguiente ahorra mucho tiempo: si algo falla, el error está en lo último que se agregó.

Cuidados con la familia 4000

  • Los CMOS se dañan con la electricidad estática: tocar algo conectado a masa antes de manipularlos y guardarlos en su tubo o en goma espuma conductora.
  • Ninguna entrada puede quedar al aire. Las que no se usan van a masa o a +9 V.
  • Nunca aplicar señal a una entrada con el integrado sin alimentar.
  • La tensión de trabajo de la serie 4000 va de 3 a 15 V; el NE555, de 4,5 a 16 V. Con 9 V los dos están cómodos.

Para seguir

Tres mejoras para encarar con el mismo circuito como base:

  • Todo rojo. En los cruces reales hay un instante con las dos calles en rojo entre una fase y la otra, para que termine de cruzar el que pasó con amarillo.
  • Amarillo intermitente. Un interruptor que, de noche, apague verdes y rojos y haga titilar los amarillos con el reloj.
  • Pulsador peatonal. Que el semáforo se quede en verde para la calle A hasta que alguien lo pida desde la calle B.