Le verrou S-R : Fondamentaux, conditions de course et applications pratiques

Un multivibrateur bistable a deux états stables, d'où le préfixe bi. Un état est appelé set (positionnement) et l'autre reset (réinitialisation). La forme la plus basique de ce dispositif est le verrou set-reset (S-R).

Pour construire un verrou S-R, deux portes NOR sont câblées de sorte que la sortie de chaque porte se renvoie vers l'entrée de l'autre porte, créant la topologie croisée classique montrée ci-dessous :

Les sorties Q et ¬Q sont censées être complémentaires. Si les deux entrées S et R sont portées à l'état haut, les deux sorties tombent à 0 — un état invalide ou illégal pour le verrou. En contraste, S=1 et R=0 « positionne » le verrou (Q=1, ¬Q=0), tandis que S=0 et R=1 le « réinitialise » (Q=0, ¬Q=1). Quand les deux entrées sont à 0, le verrou maintient son état précédent.

Une logique identique peut être exprimée en logique d'échelle (ladder logic), atteignant les mêmes résultats :

Par définition, Q=1 et ¬Q=0 est la condition de positionnement (set) ; Q=0 et ¬Q=1 est la réinitialisation (reset). Quand le circuit est mis sous tension pour la première fois, les deux portes ou relais sont dé-énergisés, ce qui place le verrou dans le même état de sortie — une situation instable. Le dispositif se résoudra rapidement vers soit set soit reset car un composant réagit légèrement plus vite que l'autre.

Si les deux éléments étaient parfaitement accordés, ils pourraient osciller comme un multivibrateur astable lors de la mise sous tension, ne se stabilisant jamais dans un état stable. Bien qu'un tel accord parfait soit rare, un bref cycle d'oscillation est presque inévitable, rendant l'état final après mise sous tension imprévisible. Cette imprévisibilité découle d'une condition de course (race condition) entre les deux relais (CR₁ et CR₂).

Une condition de course se produit quand deux événements mutuellement exclusifs sont déclenchés simultanément par une cause unique. Dans ce verrou, les contacts normalement fermés d'interverrouillage des relais empêchent les deux de se verrouiller à la fois. Quand les deux bobines démarrent dé-énergisées — comme après un cycle complet de mise hors/sous tension — chaque relais tente de se verrouiller via le contact de l'autre, et le premier à s'énergiser gagne, forçant l'autre à rester éteint. Le résultat dépend des tolérances des composants, pas du design, donc l'état après mise sous tension est indéterminé.

Pour éliminer cette course, un relais à retard temporel peut être inséré pour donner un avantage clair à un relais. Le schéma suivant démontre cette approche :

À la mise sous tension, le contact retardé TD₁ reste ouvert pendant une seconde, empêchant CR₂ de s'énergiser via CR₁. CR₁ reçoit l'alimentation en premier, s'énergise, et ouvre alors son contact normalement fermé, assurant que CR₂ ne peut pas se verrouiller. Le système met donc sous tension de façon prévisible dans l'état réinitialisé (S=0, R=0).

Les conditions de course ne sont pas limitées aux circuits à relais ; elles peuvent aussi apparaître dans les designs logiques à semi-conducteurs et les programmes logiciels si le séquençage n'est pas soigneusement géré. Identifier et atténuer de telles conditions est critique dans tout système séquentiel.

Une utilisation courante du verrou S-R dans le monde réel est le contrôle démarrage-arrêt de moteur. Une implémentation simple en logique d'échelle utilise des boutons-poussoirs momentanés de démarrage et arrêt pour S et R, respectivement, et un contacteur (ou relais) pour énerger le moteur. Le circuit standard est montré ci-dessous :

Dans cette configuration, le contact de relais en parallèle avec le bouton de démarrage agit comme un contact de maintien (seal-in), maintenant l'état énergié du relais après le relâchement du bouton de démarrage. Appuyer sur le bouton d'arrêt dé-énergise le relais, brisant le maintien et arrêtant le moteur. Ce verrou simple fonctionne équivalentement à un verrou S-R et évite l'instabilité vue dans le design à double relais.

Sous forme semi-conducteur, les verrous S-R sont empaquetés en circuits intégrés discrets, identifiés par le symbole standard ci-dessous :

Points clés à retenir

• Un multivibrateur bistable offre deux états de sortie stables.
• Set est défini comme Q=1, ¬Q=0 ; reset est Q=0, ¬Q=1 ; un état de sortie égal est invalide.
• Dans un verrou S-R, activer S positionne le circuit ; activer R le réinitialise. L'activation simultanée mène à une condition invalide.
• Une condition de course surgit quand deux événements exclusifs sont déclenchés en même temps, causant des résultats imprévisibles.