RS-Flipflop aus NAND-Gattern

Ein Wassermelder piept nur, solange der Fühler nass ist. Du willst aber auch morgens noch sehen, dass nachts etwas los war. Eine Maschine soll auf „Start“ anlaufen und weiterlaufen, bis jemand „Stopp“ drückt. In beiden Fällen braucht die Schaltung ein Gedächtnis für ein einziges Bit. Das einfachste Speicherglied der Digitaltechnik besteht aus zwei Gattern, die sich gegenseitig festhalten: das RS-Flipflop, auch SR-Latch genannt.

Gebaut aus NAND-Gattern reagiert es auf Low-Pegel an seinen Eingängen. Das passt bestens zu Tastern, die nach Masse schalten. Du brauchst nur ein Viertel eines 74HC00 pro Gatter, zwei Pull-up-Widerstände und zwei Taster. Das Flipflop ist außerdem der Kern jeder Hardware-Entprellung mit Wechsler und Grundbaustein für Zähler und Register.

Schaltplan

• IC1a, IC1b: zwei der vier NAND-Gatter eines 74HC00. Der Ausgang des einen geht an einen Eingang des anderen.
• S1 „Setzen“: zieht den Eingang S̅ (Pin 1) auf Low und setzt Q auf High.
• S2 „Rücksetzen“: zieht R̅ (Pin 5) auf Low und setzt Q auf Low.
• R1, R2, je 10 kΩ: Pull-ups. Sie halten die Eingänge High, solange niemand drückt.
• Q und Q̅: die beiden Ausgänge. Im normalen Betrieb ist einer High, der andere Low.
• C1, 100 nF (nicht gezeichnet): Abblockkondensator zwischen Pin 14 und Pin 7.

Der Strich über S̅ und R̅ heißt „aktiv Low“: Der Eingang wirkt, wenn er auf Low liegt. Die Symbole erklärt Digitale Schaltzeichen.

So funktioniert die Schaltung

Ein NAND-Gatter gibt nur dann Low aus, wenn beide Eingänge High sind. Ein einziges Low an einem Eingang zwingt seinen Ausgang auf High. Daraus ergeben sich vier Fälle:

Setzen: Du drückst S1. Pin 1 geht auf Low, also wird Q High. Q liegt an Pin 4; zusammen mit dem High an R̅ hat IC1b nun zwei High-Eingänge und gibt Low aus. Dieses Low an Pin 2 hält Q auch dann High, wenn du S1 wieder loslässt.

Speichern: Beide Taster offen, beide Eingänge High. Jetzt bestimmt allein die Rückkopplung den Zustand. Ist Q High, bleibt Q̅ Low und umgekehrt. Das Flipflop hat zwei stabile Lagen, deshalb heißt es auch bistabile Kippstufe.

Rücksetzen: S2 zieht Pin 5 auf Low, Q̅ geht High, IC1a bekommt an Pin 1 und Pin 2 High und schaltet Q auf Low.

Prellen stört nicht: Federt S1 beim Drücken mehrmals, setzt jeder Kontakt das Flipflop erneut, und es ist schon gesetzt. Am Ausgang erscheint nur die erste Flanke.

Der verbotene Zustand: Drückst du beide Taster, sind beide Ausgänge High; Q und Q̅ sind dann nicht mehr gegensätzlich. Kaputt geht dabei nichts. Lässt du aber beide genau gleichzeitig los, gewinnt das schnellere Gatter, und welcher Zustand übrig bleibt, ist Zufall. Deshalb sollte die Schaltung diesen Fall vermeiden oder bewusst festlegen, welcher Eingang Vorrang hat.

Dimensionierung

Viel zu rechnen gibt es nicht, aber drei Punkte entscheiden über einen zuverlässigen Aufbau.

1. Pull-ups. Ein HC-Eingang zieht höchstens 1 μA. An 10 kΩ fällt dadurch 10 mV ab, der Eingang sieht praktisch 5 V. Gedrückt fließen

durch den Taster, dabei setzt jeder Widerstand 5 V · 0,5 mA = 2,5 mW um. Kleinere Werte wie 1 kΩ sind störsicherer bei langen Leitungen, verbrauchen aber 5 mA pro gedrücktem Taster. Größere Werte über 100 kΩ fangen auf langen Leitungen Störungen ein.

2. Last am Ausgang. Soll Q eine LED treiben, rechnest du den LED-Vorwiderstand mit der Ausgangsspannung des Gatters. Bei 4 mA garantiert der 74HC00 an 4,5 V noch mindestens 3,84 V, typisch 4,3 V. Mit einer roten LED (U_F ≈ 2,0 V) und 4 mA:

Der nächste Normwert ist 560 Ω, damit fließen etwa 4,1 mA. Im ungünstigen Fall mit 3,84 V sind es noch 3,3 mA, die LED leuchtet immer noch deutlich. Hängt die LED an Q, belastet sie zugleich den Rückkopplungspfad – bei 4 mA ist das unkritisch, weil der High-Pegel weit über der Eingangsschwelle von 3,15 V bleibt.

3. Grenzwerte des 74HC00. Pro Ausgang erlaubt das Datenblatt absolut 25 mA, über VCC und GND zusammen 50 mA. Für Relais, Summer oder Motoren gehört ein Transistor dahinter, etwa der NPN-Low-Side-Schalter.

Bauteilliste

Varianten

Definierter Startzustand. Nach dem Einschalten landet das Flipflop in einer zufälligen Lage. Ein Kondensator von 100 nF zwischen R̅ und Masse hält diesen Eingang für einige Millisekunden auf Low, bis er sich über R2 aufgeladen hat (τ = 10 kΩ · 100 nF = 1 ms). Damit startet Q immer auf Low. Mehr dazu unter Power-on-Reset.

Mit NOR-Gattern. Zwei NOR-Gatter eines 74HC02 ergeben ein Flipflop mit aktiv-High-Eingängen. Die Taster schalten dann nach Plus, die Widerstände werden Pull-downs. Der verbotene Zustand ist hier „beide High“, beide Ausgänge gehen auf Low.

Fertige Latches. Der 74HC279 enthält vier RS-Flipflops mit aktiv-Low-Eingängen, der CD4043 vier mit NOR-Logik und abschaltbaren Ausgängen. Sie sparen Verdrahtung, wenn du mehrere Bits speichern willst.

Entprellen mit Wechsler. Der Mittelkontakt eines Umschalters liegt an Masse, die beiden Außenkontakte an S̅ und R̅. Der erste Kontakt schaltet das Flipflop um, das Prellen danach ist wirkungslos. Diese Lösung verzögert nicht, im Gegensatz zum RC-Glied unter Taster entprellen.

Ein Taster für Ein und Aus. Soll derselbe Taster abwechselnd setzen und rücksetzen, brauchst du ein taktgesteuertes Flipflop. Wie das geht, zeigt Ein/Aus mit einem Taster.

Typische Fehler

• Rückkopplung falsch verdrahtet: Q muss an das Gatter, dessen anderer Eingang R̅ ist, und Q̅ an das Gatter mit S̅. Vertauschst du das, speichert die Schaltung nichts. Prüfe mit dem Multimeter: Nach dem Loslassen müssen Q und Q̅ verschieden bleiben.
• Offene Eingänge: Ohne Pull-up schwebt ein CMOS-Eingang. Das Flipflop kippt dann, wenn du mit der Hand in die Nähe kommst. Auch die Eingänge der beiden freien Gatter gehören an Masse.
• Beide Taster gedrückt: Beide LEDs an Q und Q̅ leuchten. Das ist kein Defekt, sondern der verbotene Zustand.
• Zufälliger Zustand nach dem Einschalten: Der fehlende Startwert ist eine Eigenschaft der Schaltung, kein Fehler im Aufbau. Abhilfe ist der Kondensator an R̅.
• Abblockkondensator vergessen: Bei langen Leitungen und schnellen Flanken kann ein Störimpuls auf der Versorgung das Flipflop kippen lassen.

Selbsttest