10.2: El pestillo S-R

Un multivibrador biestable tiene dos estados estables, como lo indica el prefijo bi en su nombre. Normalmente, un estado se conoce como set y el otro como reset. El dispositivo biestable más simple, por lo tanto, se conoce como un pestillo de ajuste de restablecimiento o S-R.

Para crear un pestillo S-R, podemos cablear dos puertas NOR de tal manera que la salida de una retroalimenta a la entrada de otra, y viceversa, así:

Se supone que las salidas Q y no-Q están en estados opuestos. Digo “supuesto que” porque hacer que tanto las entradas S como R sean iguales a 1 da como resultado que tanto Q como no-Q sean 0. Por esta razón, tener tanto S como R iguales a 1 se denomina estado inválido o ilegal para el multivibrador S-R. De lo contrario, haciendo S=1 y R=0 “establece” el multivibrador de manera que Q=1 y no-Q=0. Por el contrario, al hacer que R=1 y S=0 “restablece” el multivibrador en el estado opuesto. Cuando S y R son iguales a 0, las salidas del multivibrador se “enganchan” en sus estados anteriores. Observe cómo se puede implementar la misma función multivibrador en lógica de escalera, con los mismos resultados:

Por definición, se establece una condición de Q=1 y no-Q=0. Se restablece una condición de Q=0 y no-Q=1. Estos términos son universales al describir los estados de salida de cualquier circuito multivibrador.

El observador astuto notará que la condición inicial de encendido de la variedad de puerta o escalera del pestillo S-R es tal que ambas puertas (bobinas) comienzan en el modo desenergizado. Como tal, uno esperaría que el circuito arrancara en una condición no válida, con salidas Q y no-Q en el mismo estado. En realidad, ¡esto es cierto! Sin embargo, la condición no válida es inestable con las entradas S y R inactivas, y el circuito se estabilizará rápidamente en la condición de set o reset porque una puerta (o relé) está obligada a reaccionar un poco más rápido que la otra. Si ambas puertas (o bobinas) fueran exactamente idénticas, oscilarían entre alto y bajo como un multivibrador astable al encenderse sin llegar nunca a un punto de estabilidad. Afortunadamente para casos como este, una coincidencia tan precisa de componentes es una rara posibilidad.

Cabe señalar que aunque una condición astable (continuamente oscilante) sería extremadamente rara, lo más probable es que haya un ciclo o dos de oscilación en el circuito anterior, y el estado final del circuito (ajustado o reseteo) después del encendido sería impredecible. La raíz del problema es una condición de carrera entre los dos relés CR ₁ y CR ₂.

Una condición de carrera ocurre cuando dos eventos mutuamente exclusivos se inician simultáneamente a través de diferentes elementos del circuito por una sola causa. En este caso, los elementos de circuito son relés CR ₁ y CR ₂, y sus estados desenergizados son mutuamente excluyentes debido a los contactos de enclavamiento normalmente cerrados. Si una bobina de relé está desactivada, su contacto normalmente cerrado mantendrá la otra bobina energizada, manteniendo así el circuito en uno de dos estados (set o reset). El enclavamiento evita que ambos relés se enganchen. Sin embargo, si ambas bobinas de relé comienzan en sus estados desenergizados (como después de que todo el circuito se haya desenergizado y luego se enciendan) ambos relés “correrán” para quedar enganchados a medida que reciben energía (la “causa única”) a través del contacto normalmente cerrado del otro relé. Uno de esos relés inevitablemente alcanzará esa condición antes que el otro, abriendo así su contacto de enclavamiento normalmente cerrado y desenergizando la otra bobina del relé. Qué relevo “gana” esta carrera depende de las características físicas de los relevos y no del diseño del circuito, por lo que el diseñador no puede asegurar en qué estado caerá el circuito después del encendido.

Las condiciones de carrera deben evitarse en el diseño de circuitos principalmente por la imprevisibilidad que se creará. Una forma de evitar tal condición es insertar un relé de retardo de tiempo en el circuito para desactivar uno de los relés competidores por un corto tiempo, dando al otro una clara ventaja. Es decir, al frenar intencionadamente la desenergización de un relevo, nos aseguramos de que el otro relevo siempre “gane” y los resultados de la carrera siempre serán predecibles. Aquí hay un ejemplo de cómo se podría aplicar un relé de retardo de tiempo al circuito anterior para evitar la condición de carrera:

Cuando el circuito se encienda, el contacto del relé de retardo de tiempo TD ₁ en el quinto peldaño retrasará el cierre por 1 segundo. Tener ese contacto abierto durante 1 segundo evita que el relé CR ₂ se active a través del contacto CR ₁ en su estado normalmente cerrado después del encendido. Por lo tanto, se permitirá que el relé CR ₁ se active primero (con un arranque de 1 segundo), abriendo así el contacto CR ₁ normalmente cerrado en el quinto peldaño, evitando que CR ₂ se active sin que la entrada S se active. El resultado final es que el circuito se alimenta de manera limpia y predecible en el estado de reinicio con S=0 y R=0.

Cabe mencionar que las condiciones de carrera no están restringidas a los circuitos de relé. Los circuitos de puerta lógica de estado sólido también pueden sufrir los efectos nocivos de las condiciones de carrera si se diseñan incorrectamente. Los programas informáticos complejos, para el caso, también pueden incurrir en problemas de raza si se diseñan incorrectamente. Los problemas de carrera son una posibilidad para cualquier sistema secuencial, y es posible que no se descubran hasta algún tiempo después de la prueba inicial del sistema. Pueden ser problemas muy difíciles de detectar y eliminar.

Una aplicación práctica de un circuito de cierre S-R podría ser para arrancar y detener un motor, usando contactos de interruptor de botón pulsador momentáneos normalmente abiertos para ambos interruptores de arranque (S) y parada (R), y luego energizar un contactor de motor con un contacto CR ₁ o CR ₂ (o usar un contactor en lugar de CR ₁ o CR ₂). Normalmente, se emplea un circuito lógico de escalera mucho más simple, como este:

En el circuito de arranque/parada del motor anterior, el contacto CR ₁ en paralelo con el contacto del interruptor de arranque se denomina contacto de “sellado”, ya que “sella” o cierra el relé de control CR ₁ en el estado energizado después de que se haya liberado el interruptor de arranque. Para romper el “sello”, o para “desbloquear” o “reiniciar” el circuito, se presiona el botón de parada, que desactiva CR ₁ y restaura el contacto de sellado a su estado normalmente abierto. Observe, sin embargo, que este circuito realiza casi la misma función que el pestillo S-R. Además, tenga en cuenta que este circuito no tiene ningún problema de inestabilidad inherente (aunque sea una posibilidad remota) al igual que el diseño del pestillo S-R de doble relé.

En forma de semiconductores, los pestillos S-R vienen en unidades preempaquetadas para que no tenga que construirlos a partir de puertas individuales. Se simbolizan como tales:

Revisar

• Un multivibrador biestable es uno con dos estados de salida estables.
• En un multivibrador biestable, la condición de Q=1 y No-Q=0 se define como set. Una condición de Q=0 y no-Q=1 se define a la inversa como reset. Si Q y no-Q pasan a ser forzados al mismo estado (ambos 0 o ambos 1), ese estado se denomina inválido.
• En un pestillo S-R, la activación de la entrada S establece el circuito, mientras que la activación de la entrada R restablece el circuito. Si ambas entradas S y R se activan simultáneamente, el circuito estará en una condición no válida.
• Una condición de carrera es un estado en un sistema secuencial donde dos eventos mutuamente exclusivos se inician simultáneamente por una sola causa.