S-R защелка: основы,гонки и практические применения

Бистабильный мультивибратор имеет два стабильных состояния, отсюда префикс би. Одно состояние называется установка (set), другое — сброс (reset). Простейшая форма этого устройства — установка-сброс (S-R) защелка.

Для построения S-R защелки два NOR-гейта соединяются так, что выход каждого гейта возвращается на вход другого, создавая классическую перекрестную топологию, показанную ниже:

Выходы Q и ¬Q ожидаются дополнительными. Если оба входа S и R поданы высоким уровнем, оба выхода падают в 0 — недопустимое или нелегальное состояние для защелки. В противовес, S=1 и R=0 «устанавливает» защелку (Q=1, ¬Q=0), тогда как S=0 и R=1 «сбрасывает» её (Q=0, ¬Q=1). Когда оба входа 0, защелка удерживает предыдущее состояние.

Идентичная логика выражается в ледерной логике, давая те же результаты:

По определению, Q=1 и ¬Q=0 — условие установки; Q=0 и ¬Q=1 — сброс. При первом включении питания оба гейта или реле де-энергизированы, что ставит защелку в то же выходное состояние — нестабильную ситуацию. Устройство быстро разрешится либо в установку, либо в сброс, потому что один компонент реагирует чуть быстрее другого.

Если бы два элемента были идеально согласованы, они могли бы осциллировать как астабильный мультивибратор при включении, никогда не устанавливаясь в стабильное состояние. Хотя такое идеальное совпадение редко, кратковременный цикл осцилляции почти неизбежен, делая финальное состояние после включения непредсказуемым. Эта непредсказуемость исходит из гонки между двумя реле (CR₁ и CR₂).

Гонка возникает, когда два взаимоисключающих события запускаются одновременно единой причиной. В этой защелке нормально замкнутые переплетенные контакты предотвращают одновременное защелкивание обоих реле. Когда обе катушки стартуют де-энергизированными — например, после полного цикла питания — каждое реле пытается защелкиваться через контакт другого, и первое, которое заэнергизируется, выигрывает, заставляя второе остаться выключенным. Исход зависит от допусков компонентов, а не от дизайна, поэтому состояние после включения неопределенно.

Для устранения этой гонки можно вставить реле с задержкой времени, дающее одному релю явное преимущество. Следующая схема демонстрирует этот подход:

При включении задержанный контакт TD₁ остается разомкнутым на одну секунду, предотвращая заэнергизацию CR₂ через CR₁. CR₁ получает питание первым, заэнергизируется, а затем размыкает свой нормально замкнутый контакт, гарантируя, что CR₂ не может защелкиваться. Система поэтому предсказуемо включается в состояние сброса (S=0, R=0).

Гонки не ограничиваются релейными схемами; они могут появляться в твердотельных логических дизайнах и программных продуктах, если последовательность не управляется тщательно. Выявление и смягчение таких условий критично в любой последовательной системе.

Частое реальное применение S-R защелки — управление пуском-остановкой двигателя. Простая ледерная реализация использует мгновенные кнопки пуска и остановки для S и R соответственно, и контактор (или реле) для питания двигателя. Стандартная схема показана ниже:

В этой установке релейный контакт, параллельный кнопке пуска, действует как удерживающий (seal-in) контакт, поддерживающий заэнергизированное состояние реле после отпускания кнопки пуска. Нажатие кнопки остановки де-энергизирует реле, разрывая удержание и останавливая двигатель. Эта простая защелка функционально эквивалентна S-R защелке и избегает нестабильности, видимой в двухрелейном дизайне.

В полупроводниковом виде S-R защелки упакованы как дискретные интегральные схемы, идентифицируемые стандартным символом ниже:

Ключевые выводы

• Бистабильный мультивибратор предлагает два стабильных выходных состояния.
• Установка определена как Q=1, ¬Q=0; сброс — Q=0, ¬Q=1; равное выходное состояние недопустимо.
• В S-R защелке активация S устанавливает схему; активация R сбрасывает её. Одновременная активация ведет к недопустимому условию.
• Гонка возникает, когда два взаимоисключающих события запускаются одновременно, вызывая непредсказуемые результаты.