Semáforo esquinero de dos vías con temporizadores NE555
Semáforo esquinero de dos vías con temporizadores NE555
En el desarrollo de sistemas electrónicos, uno de los mejores ejercicios para comprender el funcionamiento de la electrónica digital es diseñar un sistema secuencial sin utilizar microcontroladores. En esta práctica analizaremos un semáforo esquinero de dos vías construido exclusivamente con temporizadores NE555, un transistor 2N2222 y componentes discretos.
Aunque actualmente este tipo de sistemas suele implementarse mediante microcontroladores o PLC, realizar el diseño utilizando componentes discretos permite comprender cómo se generan las secuencias temporizadas y cómo se sincronizan distintos bloques electrónicos.
Objetivo del circuito
El circuito controla el funcionamiento de dos semáforos ubicados en una intersección de dos vías (Vía 1 y Vía 2), garantizando que:
Nunca existan dos luces verdes simultáneamente.
Antes de cambiar de verde a rojo exista un tiempo de advertencia mediante luz amarilla.
Cada vía opere de forma alternada y completamente automática.
Toda la secuencia sea generada mediante temporizadores analógicos.
Arquitectura general
El sistema puede dividirse en cuatro bloques funcionales:
Generador principal de tiempos.
Temporizadores de transición.
Lógica de habilitación.
Etapa de señalización LED.
Cada bloque cumple una función específica dentro de la secuencia del semáforo.
Temporizador principal (U1)
El corazón del sistema es el temporizador NE555 U1.
Este circuito trabaja como un oscilador de período largo cuya misión consiste en definir cuál de las dos vías tiene prioridad de circulación.
El tiempo de funcionamiento se establece mediante la red RC formada por:
R3 = 220 kΩ
C2 = 100 μF
Durante el tiempo en que la salida (pin 3) permanece en nivel alto, una de las vías permanece habilitada con luz verde mientras la otra permanece detenida con luz roja.
Cuando el período termina, U1 conmuta automáticamente su salida, iniciando el cambio hacia la otra vía.
En otras palabras, U1 determina el ritmo general del semáforo.
Temporizadores secundarios (U2 y U3)
El cambio de verde directamente a rojo produciría una transición insegura.
Por esta razón, el circuito incorpora dos temporizadores adicionales:
U2
R4 = 100 kΩ
C1 = 100 μF
U3
R9 = 100 kΩ
C3 = 100 μF
Cada uno genera un tiempo de advertencia mediante la luz amarilla.
Estos temporizadores únicamente funcionan cuando reciben la autorización correspondiente desde el circuito principal.
El transistor Q1 como inversor lógico
Una característica interesante del diseño es el uso del transistor 2N2222 como elemento de lógica discreta.
Su función es invertir el estado lógico proveniente del temporizador principal.
Cuando la salida de U1 cambia de estado:
Q1 conmuta.
Invierte el nivel lógico.
Habilita o bloquea el pin RESET (pin 4) de los temporizadores secundarios.
Gracias a esta inversión, mientras un temporizador permanece activo, el otro permanece deshabilitado.
De esta manera se evita que ambas etapas de transición funcionen simultáneamente.
Sistema de señalización
Cada vía dispone de tres indicadores luminosos:
Vía 1
Verde (V1)
Amarillo (A1)
Rojo (R1)
Vía 2
Verde (V2)
Amarillo (A2)
Rojo (R2)
Cada LED incorpora una resistencia limitadora de 330 Ω, encargada de limitar la corriente y proteger tanto los diodos emisores de luz como el circuito electrónico.
Adicionalmente, el diseño incorpora LEDs de monitoreo sobre la propia placa, permitiendo observar el estado interno del controlador incluso antes de conectar los módulos externos del semáforo.
Secuencia completa de funcionamiento
El comportamiento del sistema se desarrolla mediante una secuencia alternada de cinco etapas funcionales.
Estado 1: circulación por la Vía 1
La Vía 1 tiene prioridad de circulación:
V1 → Verde.
R2 → Rojo.
Los temporizadores secundarios permanecen en espera.
Durante esta etapa, U1 mantiene el estado correspondiente a la primera mitad del ciclo.
Estado 2: advertencia para la Vía 1
Cuando finaliza el tiempo definido por U1:
Desaparece el verde de la Vía 1.
U3 es habilitado.
Se activa la luz amarilla A1.
Durante unos segundos, la Vía 1 recibe una advertencia antes del cambio.
La Vía 2 permanece detenida mediante su luz roja.
Estado 3: circulación por la Vía 2
Concluido el tiempo de U3:
A1 se apaga.
R1 se enciende.
V2 cambia a verde.
Ahora la prioridad pertenece a la segunda vía.
Estado 4: advertencia para la Vía 2
Finalizado el período principal:
U1 vuelve a conmutar.
El transistor invierte nuevamente la lógica.
U2 queda habilitado.
Se activa la luz amarilla A2.
Durante esta etapa, la Vía 1 permanece detenida con luz roja.
Estado 5: retorno a la Vía 1
Una vez agotado el tiempo de U2:
A2 se apaga.
R2 vuelve a encenderse.
V1 pasa nuevamente a verde.
Con esto el ciclo queda completo y comienza nuevamente desde el primer estado.
Interpretación de la gráfica temporal
La gráfica incorporada al esquemático permite comprender de manera mucho más clara cómo se relacionan las señales de control y cómo se desarrolla la secuencia completa de ambos semáforos.
El eje horizontal representa el tiempo de simulación, mientras que el eje vertical muestra la representación de las señales digitales.
Una consideración importante sobre los niveles de tensión:
Las curvas aparecen desplazadas verticalmente para evitar que se superpongan y facilitar su identificación. Este desplazamiento es únicamente gráfico y no representa diferencias reales de tensión entre las señales.
En el circuito físico, todas las salidas digitales alternan entre los mismos dos niveles eléctricos:
Nivel bajo (LOW): aproximadamente 0 V.
Nivel alto (HIGH): aproximadamente VCC.
Por tanto, las diferentes alturas que se observan en la gráfica no deben interpretarse como distintos valores de alimentación. Lo verdaderamente importante es la duración de cada estado y el instante en que se producen las transiciones.
¿Qué podemos observar en la gráfica?
Las señales de ambas vías trabajan de forma alternada.
Cuando V1 está activa, V2 permanece desactivada y la Vía 2 conserva su indicación roja.
Al finalizar el período de circulación de la Vía 1 aparece el pulso correspondiente a A1.
Después de esta transición, V2 queda habilitada para la circulación y R1 indica detención en la Vía 1.
Posteriormente aparece el pulso de advertencia A2, antes de retornar a la condición inicial.
La gráfica permite comprobar especialmente que las luces amarillas aparecen durante intervalos definidos y que no existe una condición de funcionamiento en la que ambas vías tengan simultáneamente luz verde.
También permite distinguir la diferencia entre el tiempo principal, determinado por U1, y los tiempos de advertencia, determinados por U2 y U3.
De esta manera, la simulación no solamente permite verificar el funcionamiento individual de cada temporizador, sino también comprobar la coordinación temporal de todo el sistema.
Análisis del esquemático
A diferencia de un controlador basado en un microcontrolador, en este diseño cada bloque del circuito puede identificarse visualmente dentro del diagrama, lo que facilita comprender cómo se genera la secuencia completa del semáforo.
El temporizador principal U1
El circuito integrado U1 constituye el generador principal del ciclo.
Observando el esquemático puede verse que:
El pin 8 recibe la alimentación positiva de 5 V.
El pin 1 está conectado a tierra.
Los pines 6 (Threshold) y 7 (Discharge) forman parte de la red temporizadora junto con R3 (220 kΩ) y C2 (100 μF).
Esta configuración corresponde al funcionamiento clásico del NE555 en modo astable, generando una onda cuadrada cuya salida aparece en el pin 3.
Dicha señal representa la alternancia entre ambas vías del semáforo.
La salida del temporizador principal
Desde el pin 3 de U1 salen varias señales simultáneamente.
Primera función
A través de R2 (1 kΩ) se limita la corriente de una de las ramas conectadas a la salida del circuito integrado.
Segunda función
La salida alimenta los indicadores correspondientes al estado de una de las vías.
Por ejemplo, los LEDs D2 y D6 permiten monitorear visualmente el estado interno del controlador.
Tercera función
La misma señal llega al transistor Q1, encargado de invertir el nivel lógico.
Esta es probablemente una de las partes más interesantes del diseño.
El inversor lógico con Q1
El transistor 2N2222 trabaja en configuración de conmutación.
Su funcionamiento puede resumirse así:
Cuando U1 entrega un nivel alto
La corriente atraviesa R13 (10 kΩ) y polariza la base del transistor.
El transistor entra en saturación.
El colector cae prácticamente a 0 V.
Como consecuencia, el pin RESET del temporizador correspondiente queda a nivel bajo y dicho temporizador permanece deshabilitado.
Cuando U1 entrega un nivel bajo
El transistor deja de conducir.
R12 (1 kΩ) eleva nuevamente el colector hasta VCC.
El pin RESET queda habilitado.
En ese instante, el temporizador secundario puede comenzar su funcionamiento.
Gracias a este sencillo circuito se consigue que únicamente uno de los temporizadores secundarios pueda funcionar en cada instante.
Temporizadores secundarios U2 y U3
Ambos NE555 presentan prácticamente la misma estructura.
En ambos casos puede observarse una resistencia de 100 kΩ y un capacitor de 100 μF.
Estos componentes determinan el tiempo durante el cual permanece encendida la luz amarilla.
En otras palabras:
U2 genera la transición de una vía.
U3 genera la transición de la vía opuesta.
Red de temporización
Cada NE555 posee su propia constante de tiempo.
| Temporizador | Resistencia | Capacitor | Función |
|---|---|---|---|
| U1 | 220 kΩ | 100 μF | Tiempo principal |
| U2 | 100 kΩ | 100 μF | Amarillo de una vía |
| U3 | 100 kΩ | 100 μF | Amarillo de la vía opuesta |
Esta independencia permite modificar fácilmente la duración de los intervalos de temporización cambiando un resistor o un capacitor.
Distribución de las salidas
El diseño diferencia claramente dos tipos de indicadores.
LEDs locales
Son los ubicados junto a los temporizadores.
Por ejemplo:
D1
D2
D3
D4
D5
D6
Su función es facilitar la comprobación del circuito durante las pruebas de laboratorio.
LEDs del semáforo
Los LEDs externos aparecen agrupados a la derecha del esquemático.
Vía 1
D9 → Rojo.
D8 → Amarillo.
D7 → Verde.
Vía 2
D12 → Rojo.
D10 → Amarillo.
D11 → Verde.
Cada LED incorpora una resistencia limitadora de 330 Ω.
Bloques de conexión
Los conectores J1, J2 y J3 permiten separar el circuito de control del módulo de señalización.
Esto aporta varias ventajas:
Facilita el mantenimiento.
Permite instalar los semáforos físicamente alejados del controlador.
Simplifica el reemplazo de módulos LED.
Posibilita conectar cargas diferentes utilizando la misma lógica de control.
En proyectos reales, estos conectores podrían alimentar etapas de potencia mediante transistores o relevadores para controlar lámparas de mayor consumo.
Simetría del diseño
Uno de los aspectos más interesantes del esquema es su simetría.
Cada vía posee exactamente la misma estructura funcional:
Un tiempo de verde.
Un tiempo de amarillo.
Un tiempo de rojo.
Ambas vías trabajan desfasadas, de manera que cuando una vía tiene luz verde, la otra necesariamente permanece en rojo.
Esta sincronización se consigue exclusivamente mediante:
Un temporizador maestro (U1).
Dos temporizadores esclavos (U2 y U3).
Un transistor inversor (Q1).
No existe ningún microcontrolador, memoria, contador ni compuerta lógica dedicada.
Ventajas del diseño
Aunque actualmente existen soluciones basadas en microcontroladores mucho más flexibles, este circuito presenta importantes ventajas desde el punto de vista didáctico:
Permite comprender el funcionamiento interno del temporizador NE555.
Demuestra cómo implementar lógica secuencial utilizando componentes discretos.
Facilita el estudio de redes RC como elementos temporizadores.
Introduce el concepto de habilitación mediante la entrada RESET de los circuitos integrados.
Muestra el empleo de un transistor BJT como inversor lógico.
Constituye una excelente práctica para aprender sincronización de eventos electrónicos sin programación.
Conclusiones
Este semáforo de dos vías representa un excelente ejemplo de automatización electrónica clásica. Mediante la combinación de tres temporizadores NE555, un transistor 2N2222 y redes RC cuidadosamente dimensionadas, es posible generar una secuencia automática de luces verdes, amarillas y rojas sin recurrir a microcontroladores.
La representación gráfica de las señales permite comprobar la relación temporal entre los distintos bloques, visualizar los intervalos de circulación y advertencia, y verificar que las dos vías trabajan de manera coordinada.
Además de su utilidad práctica, este proyecto fortalece la comprensión de conceptos fundamentales como temporización, lógica discreta, control secuencial y sincronización entre bloques electrónicos, conocimientos que constituyen la base para el estudio posterior de sistemas digitales, electrónica industrial y control automático.
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